Видеофиксация интерференции одиночных фотонов в опыте с двойной щелью: современные достижения квантовой оптики

Институциональное принятие

Эксперимент с двойной щелью занимает особое место в истории физики и квантовой механики, являясь классическим примером проявления волновых свойств света и демонстрируя его квантовую природу. Еще в 1909 году Г. И. Тейлор провел опыты с крайне пониженной интенсивностью света, показывая, что интерференционная картина сохраняется даже при единичных фотонах, хотя для визуализации требовалась длительная выдержка. Однако настоящий прорыв произошел лишь в последние десятилетия с появлением современных технологий снижения шумов фотодетекторов и камер, что позволило получать видеоизображения интерференции одиночных фотонов в реальном времени.

В 2016 году было опубликовано исследование, в котором впервые была осуществлена прямая видеозапись интерференционных картин от отдельных фотонов при прохождении через двойную щель с использованием новой методики гейтинга камер и метода «херолдинга» фотонов, что стало важным шагом к наглядному пониманию фундаментальных квантовых явлений. Данный эксперимент сочетает детектирование коррелированных пар фотонов, созданных при параметрическом нисходящем преобразовании, с применением камеры общего назначения, которая включается только при фиксации одного фотона, что существенно снижает уровень шума и позволяет регистрировать даже самые слабые сигналы. Таким образом, достигается практически идеальное соотношение сигнал/шум, необходимое для проведения таких точных измерений. Основополагающей идеей была генерация пары фотонов посредством взаимодействия пучка лазера с нелинейным кристаллом β-барий-bората (BBO), где исходящий коротковолновый фотон расщепляется на пару квантово связанных фотонов с удвоенной длиной волны. Эти фотоны, имея строгие корреляции по времени и пространству из-за сохранения импульса и энергии, позволяют одной фотонной частице служить сигналом для детекторного управления камерой, когда другая проходит через двойную щель и регистрируется высокочувствительной камерой.

Таким образом, видеокамера фиксирует именно те моменты, когда одиночный фотон проходит сквозь щели, исключая фоновые шумы. С точки зрения физики, данный эксперимент ярко иллюстрирует одно из центральных понятий квантовой механики — волново-корпускулярный дуализм одиночных фотонов. Когда одиночный фотон проходит через двойную щель, он не действует как обычная частица, которая выбирает один из двух путей, а демонстрирует свойства волны, интерферируя сам с собой. И хотя каждый фотон фиксируется как дискретное событие, суммарная картина, построенная из большого числа таких событий, формирует четкие интерференционные полосы. Такая наглядная визуализация подчеркивает, что интерференция не является свойством длинных волн света в классическом смысле, а особенностью его квантовой природы.

 

Еще одним важным аспектом исследования стало влияние пространственной когерентности источника на формирование интерференционной картины. Поскольку сам кристалл BBO является мульти-модовым источником, свет, генерируемый внутри него, обладает множеством пространственных мод, что приводит к снижению контраста максимума и минимумов интерференции. Чтобы повысить масштаб когерентности, использовался однородный оптический волокно с одиночным модовым режимом, который ограничивал спектр фотонов, участвующих в регистрации, и тем самым улучшал качество интерференционной картины. При замене такого волокна на многомодовое качество интерференционных прерывистостей существенно ухудшалось, изображая важность пространственной когерентности для таких квантовых экспериментов. Экспериментальная установка, иллюстрировавшая подход, состояла из коллиминированного лазерного пучка ультрафиолетового диапазона, который возбуждал нелинейный кристалл BBO.

 

После прохождения через кристалл, пара фотонов разделялась оптическим делителем луча на две части. Один фотон попадал на херолдинговый детектор — одномодовый волоконный фотодетектор с высокочувствительной однопиксельной фотонной лавинной матрицей (SPAD), который подавал сигнал на камеру для временного гейтинга. Второй фотон направлялся на камеру, проходившую через двойную щель, где детектировался интенсивным кольцевым зарядовым устройством (ICCD - Intensified CCD). Временные задержки и калибровка обеспечивали синхронизацию сигналов обнаружения для точной регистрации одиночных фотонных событий. Важной особенностью работы стало использование метода отслеживания «фантомных» изображений (ghost imaging) и «фантомной» интерференции (ghost interference).

 

В данных режимах объект (двойная щель) помещается в оптическом пути фотона, который не детектируется камерой, а информация о нем восстанавливается спустя взаимную пространственную корреляцию с детектируемой партнерской фотонной частью. Это доказывает не только строгую квантовую корреляцию, но и наглядно демонстрирует фундаментальные свойства квантовой запутанности и нелокальности. Такие эксперименты помогают понять глубинные принципы квантовой механики, такие как принцип неопределенности Гейзенберга, проявленный через взаимную несовместимость знания положения и импульса фотонов, и раскрывают суть коллапса волновой функции. Они также показывают, что интерференционная картина является результатом вероятностного распределения фотонов и не возникает, если попытаться определить через какую щель прошел фотон. Наглядное видеофиксация интерференции отдельного фотона значительно улучшает образовательные методы преподавания квантовой механики, позволяя студентам и исследователям воочию познакомиться с необычными квантовыми эффектами.

Иллюстрация постепенного формирования интерференционных полос из хаотично прибывающих одиночных фотонов усиливает интуитивное понимание волновых свойств. Методика херолдинга, снижающая шумы, делает эксперимент доступным даже для лабораторий с ограниченным оборудованием, масштабируемым для дальнейших исследований и обучения. Физические эксперименты такого рода тесно связаны с развитием квантовых технологий, таких как квантовая криптография, квантовые вычисления и сверхчувствительные оптические методы измерения и визуализации. Использование спонтанного параметрического нисходящего преобразования как источника спаренных фотонов является хорошо изученным и широко применяемым инструментом для создания запутанных состояний. Их пространственно-временная корреляция используется для решения фундаментальных вопросов в квантовой механике, а также для практических применения в области квантовой информации.

Шум и искажения, возникающие в традиционных фотодетекторах и камерах с высокой чувствительностью, в этом исследовании эффективно подавляются благодаря системе временной синхронизации и триггерной активации камеры. Это позволило впервые получить 2D видео высококонтрастных интерференционных узоров одиночных фотонов с разрешением, достаточным для изучения динамического процесса формирования интерференционной картины. В срезе истории квантовой физики методика служит примером того, как классические представления о свете трансформируются под воздействием экспериментальных данных. Важно понимать, что даже при очень низких интенсивностях света, когда в области экспериментальных щелей находится в среднем менее одного фотона, формируется четкая интерференционная картинка, подчеркивая фундаментальный квантовый принцип — фотон интерферирует с самим собой, а не с другими фотонами. Это подтверждает способность элементарных квантовых объектов проявлять волновые свойства, что используется в современной квантовой оптике.