Ученые КНИТУ-КАИ разработали квантовый источник света со сверхшироким спектром

Группа ученых из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ совместно с коллегами с физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработали и экспериментально продемонстрировали оптоволоконный метод генерации двухфотонных состояний света (бифотонов) с экстремально большой шириной спектра.

Сотрудник Казанского квантового центра (ККЦ) и кафедры электронных и квантовых средств передачи информации (ЭКСПИ), кандидат физико-математических наук Максим Смирнов поясняет, что в основу метода было положено возбуждение высоконелинейного фотонно-кристаллического волокна фемтосекундными лазерными импульсами.

Новизна исследования заключается в том, что раньше не удавалось достичь экспериментальной генерации с таким широким спектром в оптических волокнах, однако ученым КНИТУ-КАИ это удалось сделать благодаря точному согласованию параметров структуры используемых оптических волокон и спектральных параметров возбуждающих лазерных импульсов. Заметим, что спектральная ширина полученных бифотонов имеет рекордные значения среди оптоволоконных методов генерации бифотонов. Разработанный метод будет полезен для новых направлений квантовых технологий, среди которых можно выделить методы квантовой оптической когерентной томографии биологических объектов. Планируются дальнейшие исследования с применением сверхширокополосного источника в указанных выше методах.

Статья о новом методе генерации сверхширокополосных бифотонов в оптических волокнах вызвала интерес в научном сообществе и была опубликована в престижном международном оптическом журнале Optics Letters.

На вопросы «Ъ-Науки» ответил Максим Смирнов, сотрудник Казанского квантового центра (ККЦ) и кафедры электронных и квантовых средств передачи информации (ЭКСПИ), кандидат физико-математических наук:

— Что такое бифотоны?

— Двухфотонное состояние света (бифотон) — объект квантовой физики, особое состояние света, энергия которого состоит из двух элементарных квантов (фотонов). Ключевой особенностью этого состояния является наличие нелокальных корреляций между физическими характеристиками (поляризация, несущая частота, орбитальный момент и др.) фотонов, которое называют квантовой запутанностью, а сами фотоны — квантово-запутанными. Отметим, что Нобелевская премия по физике в 2022 году была присуждена Алену Аспе, Антону Цайлингеру и Джону Ф. Клаузеру «За эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике», что говорит о высокой значимости научных исследований запутанных фотонов для развития квантовых коммуникаций и квантовых вычислений.

— Почему так важна экстремально большая ширина спектра излучений? Что это дает ученым?

— Бифотоны, как и любое другое оптическое поле, имеют свой спектр, то есть зависимость вероятности генерации бифотонов от длины волны или несущей частоты бифотонов. Эту зависимость часто можно охарактеризовать двумя величинами — центральная несущая частота и интервал частот, где вероятность генерации имеет релевантные значения (ширина спектра). Существует ряд прикладных направлений науки, где от ширины спектра бифотонов напрямую зависит эффективность методики: например, в случае квантовой оптической когерентной томографии большая ширина спектра увеличивает разрешение методики, а в случае двухфотонной микроскопии усиливает взаимодействие света с веществом, что повышает контрастность наблюдаемого изображения в условиях слабых световых полей. Стоит отметить, что двухфотонный лазерный микроскоп представляет собой важный прибор для наблюдения живых тканей на глубине более одного миллиметра, используя явление флуоресценции. Применение бифотонов в этом методе позволит кардинально снизить фототоксичность, что крайне важно при наблюдении и исследовании чувствительных к свету живых биологических объектов.

Фотонно-кристаллическое волокно — сравнительно новый тип оптических волокон, отличительной особенностью которых является наличие воздушных отверстий вдоль всего волокна. Эти отверстия образуют подобие фотонного кристалла (структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света), отсюда эти волокна и получили названия. Такая структура помогает лучше концентрировать свет в оптическом волокне, а в отдельных случаях удалось уменьшить диаметр излучения в шесть раз по сравнению со стандартными оптическими одномодовыми волокнами (SMF-28). Поскольку при уменьшении диаметра излучения в волокне эффективность нелинейно-оптических преобразований возрастает, фотонно-кристаллические волокна (с кварцевой сердцевиной) относят к высоконелинейным оптическим волокнам.

— Что в итоге это изобретение или открытие даст для простого человека?

— Это сложный вопрос для большинства научных работ, большая доля в которых отводится фундаментальным исследованиям, но я попытаюсь ответить на него. Во-первых, наше исследование — это важный шаг в создании новых квантовых состояний света, необходимых для планомерного развития квантовой информатики в России, востребованность и актуальность которой уже является общепризнанным фактом. Во-вторых, используемые нами подходы, основывающиеся на применении оптических волокон как ключевого элемента в экспериментах, важны для будущей миниатюризации и удешевления квантовых технологий на их основе. Мы верим и надеемся, что эти подходы приблизят то будущее, когда квантовые технологии, их наработки, их функционал и преимущества станут доступными для широкого круга потребителей в России, будут доступными для простого человека.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки