Физики сделали снимок несуществующего кота

Если в обычном мире мы можем сфотографировать только то, что видим, то новая методика квантовой фотографии значительно расширяет возможности человека. Команда физиков разработала новый способ съёмки объектов при помощи запутанных фотонов: учёные запечатлели очертания кота, но используемый свет даже не взаимодействовал с фотографируемым объектом.

Основную роль в данном эксперименте играл феномен квантовой запутанности, который описывает пары частиц, состояние которых неразрывно связано друг с другом. Как бы далеко друг от друга ни находились запутанные частицы, состояние одной из них мгновенно поменяется, как только поменяется и состояние её партнёра.

Эту особенность физики и применили в своём эксперименте — один фотон взаимодействует с объектом фотографирования, в то время как другой летит в детектор. А поскольку последний вообще никак не взаимодействует с предметом съёмки, можно сказать, что на снимке запечатлено нечто не существующее в реальности.

«В обычной фотографии необходимо «поймать» фотоны, отражённые от объекта, который вы снимаете. Квантовая фотография позволяет этого не делать», — поясняет ведущий автор исследования Антон Цайлингер (Anton Zeilinger), физик из Австрийской академии наук в Вене.

По словам Цайлингера, преимущество данной методики в том, что запутанные фотоны не обязательно должны обладать одинаковым уровнем энергии. Это означает, что цвета фотографируемого и отображаемого объекта могут быть разными.
Так, учёные сразу описывают потенциальное применение новой методики. К примеру, низкоэнергетические фотоны можно посылать через биологические образцы, а их высокоэнергетические частицы-партнёры, находящиеся в состоянии квантовой запутанности, отобразят реальные очертания объекта в видимом диапазоне. Об этом физики рассказывают в своей статье, опубликованной в журнале Nature.

Цайлингер и его коллеги рассказывают, что их эксперимент основан на теоретической идее, впервые изложенной в 1991 году. Фотон имеет два возможных пути, по которым он может пройти к детектору. На каждом из этих путей должен быть расположен кристалл, который превращает частицу в пару запутанных фотонов, но только на одном из путей находится фотографируемый объект.

«В соответствии с законами квантовой физики, если наблюдатель не пытается определить, по какому из путей прошёл фотон, то частица идёт сразу по двум из возможных путей, и пара запутанных фотонов образуется на выходе из каждого кристалла», — рассказывает соавтор исследования Габриэла Баррето Лемос (Gabriela Barreto Lemos), также сотрудник Австрийской академии наук.

На первом пути фотон-партнёр взаимодействует с фотографируемым объектом, а находящаяся с ним в состоянии квантовой запутанности частица этого не делает. Первый фотон впоследствии объединяется со своим интактным партнёром, после чего выбрасывается из системы.

Оставшаяся частица света, прошедшая по второму пути, воссоединяется с самой собой же, прошедшей по первому пути, и направляется в сторону камеры, где используется для создания изображения, несмотря на то, что она вообще не взаимодействовала с объектом съёмки.

В качестве объекта съёмки физики использовали очертания кота, ширина которого составляла всего несколько миллиметров. Затем они проэкспериментировали и с некоторыми другими изображениями, выгравированными в кремниевой пластине. Но куда более важно другое: то, что длина волны фотона, взаимодействующего с изображением, не позволяет отобразить очертания при помощи камеры, тогда как частицы-партнёры напротив обладали нужной длиной волны.

«Этот аспект очень важен для подтверждения работоспособности метода квантовой фотографии», — отмечает Цайлингер.

Аналогичные эксперименты прежде ставились в рамках так называемых опытов по «призрачной фотографии» (ghost imaging). В данном случае также всего один фотон из пары взаимодействует с объектом, однако оба должны попасть в детектор для получения снимка. Метод австрийских физиков проще, поскольку в детектор попадает всего одна частица из пары.

А по словам Цайлингера, участие обоих фотонов из пары заставляет задаться вопросом, действительно ли призрачная фотография есть следствие использования законов квантовой механики, или же это явление можно объяснить классической физикой. Методика учёных из Вены (за счёт разных длин волн) может существовать только в рамках квантовых законов.