Новости

10 Июля, 2020 10:38

Ученые показали возможность использования терагерцового излучения в квантовых технологиях

Российские ученые описали электромагнитное излучение оптического и терагерцового диапазона частот, рождающееся в процессе параметрического рассеяния света. Также они показали возможность управления характеристиками квантовых оптико-терагерцовых полей с использованием прибора (нелинейного интерферометра), действие которого основано на явлении интерференции волновых функций фотонов во времени и пространстве. Ранее терагерцовое излучение, использующееся в диагностике и системах безопасности, практически не рассматривалось с точки зрения квантовых технологий. О проделанной работе ученые рассказали на страницах журнала Physical Review A. Исследования поддержаны грантом Российского научного Фонда.
Коллектив лаборатории. Слева направо: Павел Прудковский, Кирилл Кузнецов, Татьяна Новикова, Семен Германский, Галия Китаева, Андрей Леонтьев, Екатерина Малкова, Максим Фокин и Владимир Корниенко. Источник: Галия Китаева

Терагерцовое излучение — это электромагнитные волны, частота которых лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазонами. В отличие от рентгеновского, такое излучение неионизирующее, поэтому не наносит вреда тканям организма и применяется в медицинской диагностике и системах безопасности, а также используется при контроле качества оборудования и реставрации произведений искусства.

Однако в терагерцовом диапазоне частот до сих пор не проводились исследования процессов, которые способствуют появлению излучения в квантовых состояниях. Одним из таких процессов является параметрическое рассеяние света. В ходе этого оптического явления один фотон с высокой энергией преобразуется в бифотонную (состоящую из двух частиц) пару так называемых запутанных фотонов. Квантовые состояния этих частиц статически зависят друг от друга (коррелируют друг с другом), оставаясь взаимосвязанными даже на большом расстоянии. Таким образом, воздействуя на один фотон, можно обнаружить изменение состояния и его партнера. Эта технология широко применяется в квантовом шифровании, а также при создании квантовых компьютеров и сенсоров. Обычно частоты двух фотонов, образовавшихся при параметрическом рассеянии света, находятся в одном диапазоне. Однако физики из МГУ имени М. В. Ломоносова изучили случай, когда взаимодействовать между собой в паре и быть статистически зависимыми друг от друга могут видимый фотон и фотон, частота которого почти в тысячу раз меньше. Эта частота лежит в терагерцовом диапазоне, соответственно и сам фотон — терагерцовый, а первый фотон из пары — оптический. Ученым удалось описать уравнениями поведение фотонов в этой паре и получить решение, учитывающее такие факторы, как тепловые шумы, угловая расходимость и поглощение волн внутри кристалла, в котором и создается бифотонное поле. Кроме того, исследователи подобрали наиболее подходящие условия, при которых удобнее всего наблюдать квантовое бифотонное состояние оптического и терагерцового фотонов.

В своей следующей статье авторы дополнили теорию экспериментальными данными, показав на практике возможность управления спектральными и пространственными свойствами оптико-терагерцовых полей с использованием нелинейного интерферометра Маха-Цендера. Принцип его работы заключается в явлении квантовой когерентности, то есть коррелированности частиц системы. Она возникает при «перепутывании» холостых фотонов (не идущих на детектор), которое проявляется в появлении интерференционной картины в распределении видимых фотонов.

«Подобные интерферометры могут быть использованы для исследования свойств различных материалов в терагерцовом диапазоне частот. Ключевой момент метода заключается в том, что информацию о дисперсионных свойствах проще извлечь из измерений в оптическом канале, так как между оптическими и терагерцовыми фотонами существует сильная корреляция. Рассматриваемый интерферометр — перспективный источник терагерцовых полей с новыми характеристиками, а интерференционные эффекты могут быть полезны для разработки сенсоров в терагерцовом частотном диапазоне», — рассказывает Галия Китаева, один из авторов статьи, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

17 Сентября, 2020
Создан программный комплекс для моделирования самосборки молекулярных слоев
Российские ученые разработали программу, которая позволяет моделировать процессы на поверхностях тве...
17 Сентября, 2020
Извержения вулканов станут более предсказуемыми
Российские ученые установили закономерности извержения вулканов, выявив влияние вязкости магмы на фо...