Ученые разработали метод детектирования фотонов, не уничтожая при этом ни их самих, ни содержащуюся в них информацию - «Наука и технологии»

В квантовых и обычных коммуникационных сетях информация переносится при помощи фотонов, частиц света. Для извлечения информации, переносимой фотоном, требуется его поглощение детектором, что подразумевает уничтожение, как самого фотона, так и переносимой им информации. Однако, в ряде случаев, в частности, в квантовых вычислениях, часто требуется неразрушающее детектирование фотонов во время движения с целью проверки того, достиг ли фотон (и информация) пункта его назначения. Такое отслеживание, в теории, может сделать квантовые вычислительные системы еще быстрее, а квантовые коммуникационные сети - надежней и стабильней.

"Никакой даже самый лучший детектор не дает 100-процентной эффективности, всегда остается шанс, что фотону удастся проскользнуть незамеченным" - пишут исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии, - "Используя несколько детекторов, поставленных в ряд, можно только лишь увеличить шанс обнаружения фотона".

Отметим, что за последние годы ученые нашли множество способов неразрушающего детектирования фотонов, основанных на анализе взаимодействия фотона с ионами, сверхпроводящими кубитами или другими квантовыми объектами. Однако, все такие методы позволяют произвести лишь одноразовое детектирование движущегося фотона или многоразовое детектирование фотона, пойманного в ловушку специальной полости-резонатора.

И лишь недавно исследователи из Германии нашли способ неразрушающего многократного детектирования единичного фотона, движущегося по оптическому волокну. Основой неразрушающего детектора является атом рубидия, находящийся в специальной светоотражающей полости. Фотон, попадающий в эту полость, отражается от стенок и изменяет квантовое состояние атома, которое контролируется при помощи импульсов лазерного света.

Для эксперимента исследователи разместили два таких детектора на расстоянии 60 метров и, в большинстве случаев оба детектора оказались способны обнаружить один и тот же фотон, посланный в оптическое волокно. "В теории и в идеале можно установить бесчисленное количество детекторов по пути следования фотона и зарегистрировать этот фотон бесчисленное количество раз" - пишут исследователи.

Однако, на практике все выглядит не столь радужно. Эксперименты показали, что фотон, попавший в полость детектора, теряется безвозвратно в 33 процентах случаев. Однако, если детекторы обнаружат, что какой-то из фотонов потерялся по пути, процесс передачи можно сразу же повторить. "Мы не должны будем ждать окончания передачи целого пакета, чтобы удостовериться, что все прошло как надо" - пишут исследователи.

Несмотря на то, что новый метод позволяет детектировать фотоны, он не несет в себе угрозы для безопасности квантовых коммуникаций. "Это похоже на процедуру трассировки пакетов в традиционных сетях. Мы можем обнаружить, каким путем прошел пакет, но нам не станет известно его содержимое" - пишут исследователи, - "Так же все обстоит и с фотонами в данном случае, мы можем его обнаружить не разрушив, но мы не сможем извлечь без разрушения заключенную в нем квантовую информацию"

В дальнейшем германские ученые планируют уменьшить потери фотонов в детекторах, используя различные материалы, конфигурации светоотражающих полостей и другие способы. Это, в свою очередь, позволит использовать большое количество детекторов на пути следования фотона, после чего можно будет начинать разработку реальных устройств отслеживания фотонов, предназначенных для различных квантовых систем.