Как точно измерить форму фотона?
 Схематическое изображение предложенной схемы обнаружения (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Импульс света может иметь практически любую форму, как в пространстве, так и во времени. И эта форма определяется амплитудами и фазами отдельных частотных компонент импульса. Удивительно, но отдельные фотоны также могут иметь сложную пространственную «форму». Разница здесь лишь в том, что амплитуда одного фотона не является определенным значением напряженности электрического поля, вместо этого она «обозначает» вероятность обнаружения фотона в каждой точке пространства и времени.
Таким образом, для передачи информации из одной точки пространства в другую исследователи могут кодировать сигнал при помощи «формы» фотона. Эта «система» кодирования получается настолько гибкой, что один фотон может обозначать любую букву алфавита или даже комбинацию нескольких букв. Но «приемник» должен уметь различать переданные буквы, даже если фотон был искажен во время путешествия от передатчика до приемника. Как обеспечить это различие, в своей последней работе продемонстрировала группа ученых из National Institute of Optics (Италия).
Ученые предложили технику калибровки системы при помощи измерения «формы» фотона, возникающей на стороне приемника при определенных условиях. По-сути, исследователи адаптировали к данной ситуации методы из области когерентного контроля, где необходимо точно формировать зависящие от времени электрическое поле лазерного импульса.
Идея заключается в том, что фотон, «форму» которого необходимо измерить, следует «смешивать» с интенсивным лазерным импульсом, позволяя им интерферировать. Чем ближе форма импульса к «форме» фотона, тем больше вероятность того, что он будет обнаружен.
Для реализации своей методики на практике, ученые сформировали два потока сверхкоротких лазерных импульсов (разделив один лазерный луч). Один из потоков был направлен в кристалл, где периодически генерировалась пара фотонов: первый должен был быть обнаружен после преднамеренной или непреднамеренной трансформации, другой играл роль триггера для детектора. Второй более мощный поток импульсов впоследствии использовался для «смешивания» с фотонами.
В своей работе ученые работали только с частотной составляющей потока импульсов, но, как они утверждают, та же методика может использоваться и для пространственной составляющей.
Для выделения различных частотных компонент и независимого управления интенсивностью и фазой каждой компоненты использовалось две решетки. Для выбора формы импульса, наилучшим образом соответствующей «форме» фотона, команда использовала «генетический» алгоритм, на мысль о котором их вдохновила биологическая эволюция. Начиная со случайно выбранных параметров, они приближались к «решению», периодически заменяя их значениями, «унаследованными» от наиболее успешно детектированных форм на предыдущем шаге. Грубо говоря, команда оптимизировала технику, повторно производя «смешивание» с идентичными фотонами и периодически меняя форму лазерного импульса на основе информации, полученной из предыдущих измерений.
Подробности предложенной схемы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Спаривание фотонов может иметь коммерческий смысл
- Вслед за практическим применением плазмонов появилось и теоретическое описание их роли в нелинейных оптических процессах
- Фотонные кристаллы повышают эффективность фосфоресценции
- Ученые предложили способ контроля некогерентного случайного лазера
- Использование наногетеропереходов позволяет улучшить солнечные батареи
Источники: