Фізики створили квантову голограму без прямого накладення двох світлових хвиль. Замість цього вони використовували взаємозв'язок заплутаних фотонів, щоб отримати необхідну для побудови зображення інформацію. Стаття опублікована в журналі.
Голограми - це об'ємні зображення, які отримують, складаючи дві хвилі. В оптичній голографії в ролі хвиль виступають промені світла. Один з них відображається від предмета, і за різницею фаз з другим променем можна відновити зображення. Оскільки кожна частинка відповідає хвильовій функції, існує не тільки оптична голографія, а й квантова, побудована на взаємодії цих функцій. Замість вимірювати яскравість світла, фізики вимірюють ймовірність появи частинок у просторі.
За допомогою квантової голографії вже була отримана голограма одиночного фотона: фотон з невідомою поляризацією зіткнули з еталонним і зареєстрували, як наклалися один на одного їх хвильові функції. Це і дозволило отримати просторовий розподіл невідомої частинки. Експеримент дуже нагадував оптичний, але в квантовій голографії присутні і ефекти, що дозволяють створювати голограми принципово новими методами.
Один з таких ефектів використовували фізики з Університету Глазго під керівництвом Хуго Дефіна (Hugo Defienne). Вони створили квантову голограму без складання двох хвиль.
Як і в оптичних експериментах, вони використовували лазерний промінь, який розділили на два пучки за допомогою нелінійного кристала. Кристал дозволив створити заплутані фотони, що знаходяться в пов'язаних квантових станах. Один потік фотонів потрапляв у просторовий модулятор світла, що містить зображений предмет. Як предмет використовували букви «UofG» (абревіатура назви університету) на рідкокристалічному дисплеї, а також шматочки скотчу, краплі силіконової олії і пташине перо.
Другий потік фотонів проходив через інший модулятор, щоб позбутися фазових спотворень, викликаних двопроміненням у нелінійному кристалі. Обидва пучки після проходження модуляторів потрапляли на цифрові камери.
У класичній голографії пучки потрібно було б накласти один на одного, щоб отримати інформацію про зсув фаз. У квантовому експерименті вчені натомість використовували унікальну властивість заплутаних фотонів: їх здатність впливати один на одного без будь-яких взаємодій.
Через цей вплив між зрушеннями фаз окремих пучків з'явилися кореляції. Вчені виміряли їх, порівнявши дані з двох різних камер в симетричних точках. Кореляцій виявилося достатньо для побудови зображення.
Вчені також провели вимірювання, додавши в систему перешкоди у вигляді стороннього розсіяного світла. Це не завадило отримати зображення з чіткими контурами, так що новий метод голографії менш сприйнятливий до зовнішніх впливів, ніж класична інтерференція.
Автори роботи зазначають, що голограму можна отримати і без другого модулятора. У такому випадку перед камерою, що реєструє другий пучок, потрібно було б встановити обертовий поляризатор, а фазові спотворення врахувати в комп'ютерній моделі. Вчені використовували модулятор, щоб виконати вимірювання, необхідні для підтвердження нерівності Клаузера-Хорна-Шимоні-Хольта.
Воно є прямим наслідком теореми Белла, що дозволяє експериментально довести існування квантової заплутаності. Підтвердивши цю нерівність, вчені показали, що квантову голографію можна використовувати не тільки для побудови зображень, а й для отримання характеристик квантових станів.
На властивостях заплутаних частинок працює не тільки новий спосіб створення голограм, а й квантова комунікація. Ми писали про створення мережі квантової комунікації на основі заплутаності між частотними модами сигналу. Також фізики досліджують заплутані частинки, щоб більше дізнатися про практичне значення хвильової функції. Наприклад, нещодавно їм вдалося сфотографувати заплутані фотони.