Открыт способ создания квантовой голограммы

Физики из Университета Глазго (Великобритания) открыли новый способ создания голограмм с использованием явления квантовой запутанности.

Исследование опубликовано в журнале Nature, коротко о нем рассказывает The Conversation.

Голография была изобретена в начале 1950-х годов венгерско-британским физиком Деннисом Габором, который в 1971 году получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике. Сейчас голограммы есть на кредитных картах и банкнотах, они появляются в фантастических фильмах и даже «вживую» на сцене, когда давно умерший рэпер Тупак «воплотился» в голографическом изображении на музыкальном фестивале Coachella в 2012 году.

Голография является важным инструментом для множества практических приложений, включая хранение данных, биологическую микроскопию, медицинскую визуализацию и медицинскую диагностику.

Классическая голография создает двумерную визуализацию трехмерных объектов с помощью луча лазерного света, разделенного на два пучка. Первый пучок, называемый объектным, освещает объект голографии, а рассеянный свет собирается камерой или специальной голографической пленкой. Второй пучок, называемый опорным, направляется зеркалами непосредственно на ту же пленку.

Голограмма образуется благодаря явлению интерференции, которое создает сложный волновой узор в пространстве, содержащий области, где волны компенсируют друг друга (впадины), и области, где они складываются (гребни).

Для создания голограммы требуется оптическая когерентность — свет должен везде иметь одинаковую частоту. Свет, излучаемый лазером, когерентен и поэтому используется в большинстве голографических систем.

Новое исследование позволяет обойти необходимость когерентности в голографии, используя явление квантовой запутанности в парах фотонов. Эти пары обладают уникальным свойством: когда две частицы запутаны, они внутренне связаны и действуют как единый объект, даже если они разделены в пространстве. 

В работе шотландских физиков два фотона каждой пары разделяются и отправляются в двух разных направлениях. Один фотон направляется на объект, которым может быть, например, предметное стекло микроскопа с биологическим образцом на нем. Когда он попадает в объект, фотон будет немного отклоняться или немного замедляться в зависимости от толщины материала образца, через который он прошел. Но, как квантовый объект, фотон обладает удивительной способностью вести себя не только как частица, но и одновременно как волна.

Такое свойство дуальности волна — частица позволяет фотону не только исследовать толщину объекта в точном месте, где он попадает в него, но и сразу измерять его толщину по всей длине. Толщина образца — и, следовательно, его трехмерная структура — «отпечатывается» на фотоне.

Поскольку фотоны запутаны, изменение состояния одного из фотонов в результате взаимодействия с образцом одновременно происходит и со вторым фотоном из пары. Таким образом, голограмма получается путем измерения корреляции между фотонами.

Самый впечатляющий аспект этого квантового голографического подхода — явление интерференции возникает даже в том случае, если фотоны разделены любым расстоянием. Таким образом, объект, который мы изучаем, и второй фотоприемник могут находиться даже в разных полушариях планеты.

Кроме того, квантовая голография обеспечивает практические преимущества — лучшую стабильность и устойчивость к шумам. Это означает, что мы сможем создавать биологические изображения гораздо лучшего качества, чем те, которые получаются с помощью современных методов микроскопии. Вскоре этот квантовый голографический подход можно будет использовать для изучения биологических структур и механизмов внутри клеток, которые ранее никогда не наблюдались в трехмерном изображении.

Фото: University of Glasgow, Shutterstock

Дисплей создает голограммы, которые можно видеть, слышать и чувствовать

Эксперименты со скоростью света