Учёные впервые зафиксировали квантовую неопределённость в реальном времени

Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук, является автором статьи, в которой объясняется, как исследователи зафиксировали и контролировали квантовую неопределённость в реальном времени с помощью сверхбыстрых световых импульсов. Автор: University of Arizona

Исследователи из Университета Аризоны в сотрудничестве с международной командой впервые зафиксировали и контролировали квантовую неопределённость в реальном времени, используя сверхбыстрые импульсы света. Их открытие, опубликованное в журнале Light: Science & Applications, может привести к созданию более безопасных систем связи и развитию сверхбыстрой квантовой оптики.

В основе прорыва лежит концепция «сжатого света», объяснил Мохаммед Хассан, автор статьи и доцент кафедры физики и оптических наук.

В квантовой физике свет характеризуется двумя взаимосвязанными свойствами, которые примерно соответствуют положению и интенсивности частицы, но никогда не могут быть измерены с абсолютной точностью — это и есть принцип неопределённости. Произведение этих двух измерений не может опуститься ниже определённого порога.

«Обычный свет похож на круглый воздушный шар, где неопределённость равномерно распределена между его измерениями, — сказал Хассан. — Сжатый свет — также известный как квантовый свет — растянут в овал, где одно свойство становится тише и точнее, а другое — более шумным».

Это сжатие имеет практическое применение: детекторы гравитационных волн уже используют сжатый свет, чтобы отсеивать фоновый шум и обнаруживать слабые искажения в пространстве-времени, вызванные удалёнными небесными телами.

Предыдущие применения сжатого света основывались на лазерных импульсах длительностью в миллисекунды. Хассан задался вопросом, возможно ли генерировать сжатый свет с помощью ультракоротких импульсов, измеряемых в фемтосекундах (одна квадриллионная доля секунды).

«Создание квантового света с помощью ультрабыстрых лазерных импульсов стало бы революционным шагом и первой реальной реализацией, объединяющей квантовую оптику и ультрабыструю науку», — отметил он.

Хассан и его коллеги разработали новый метод генерации экстремально коротких вспышек света, используя существующий процесс четырёхволнового смешения, при котором разные источники света взаимодействуют и объединяются друг с другом. Команда разделила лазерный луч на три идентичных пучка и сфокусировала их в плавленом кварце, получив ультрабыстрый сжатый свет.

Новый подход позволяет сжимать интенсивность фотона и демонстрирует возможность переключения между сжатием по интенсивности и сжатием по фазе путём простого изменения положения кварца относительно разделённого луча.

«Это первая в мире демонстрация ультрабыстрого сжатого света и первое измерение и управление квантовой неопределённостью в реальном времени, — заявил Хассан. — Комбинируя ультрабыстрые лазеры с квантовой оптикой, мы открываем дверь в новую область: ультрабыструю квантовую оптику».

Команда уже применила свою технику в области безопасной связи. Объединение ультрабыстрых и сжатых световых импульсов позволяет одновременно повысить и скорость передачи данных, и её защищённость от перехвата.

«Если кто-то перехватит данные, отправленные с помощью квантового света, сеть немедленно обнаружит вторжение, — пояснил Хассан. — Используя наш метод, перехватчик не только нарушает квантовое состояние, но и должен знать как ключ, так и точную амплитуду импульса. Их вмешательство влияет на сжатие амплитуды, а значит, они не могут определить правильную неопределённость, и любые расшифрованные данные окажутся неверными».

Помимо безопасной связи, ультрабыстрый квантовый свет может найти применение в квантовых сенсорах, химии и биологии, что приведёт к более точной диагностике, новым методам разработки лекарств и созданию сверхчувствительных детекторов для мониторинга окружающей среды.

Больше информации: Mohamed Sennary et al, Attosecond quantum uncertainty dynamics and ultrafast squeezed light for quantum communication, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-02055-x