Команда физиков из Университета Глазго первой в мире нашла способ использовать квантово-запутанные фотоны для кодирования информации в голограмме. Процесс их открытия описан в статье, опубликованной в журнале Nature Physics. Голография знакома многим по ее использованию в качестве защитных изображений, напечатанных на кредитных картах и паспортах, но у нее есть много других областей применения, включая хранение данных, получение медицинских изображений и защиту.
Классическая голография создает двумерную визуализацию трехмерных объектов с помощью луча лазерного света, разделенного на два пути. Путь одного луча, известного как объектный луч, освещает объект голографии отраженным светом, собираемым камерой или специальной голографической пленкой. Путь второго луча, известного как опорный луч, отражается от зеркала непосредственно на поверхность сбора, не касаясь объекта.
Голограф создается путем измерения разницы в фазе света в местах встречи двух лучей. Фаза — это степень, в которой волны субъектного и объектного лучей смешиваются и интерферируют друг с другом, процесс обеспечивается свойством света, известным как "когерентность".
Новый процесс квантовой голографии команды Глазго также использует луч лазерного света, разделенный на два пути, но, в отличие от классической голографии, лучи никогда не объединяются. Вместо этого этот процесс использует уникальные свойства квантовой запутанности — процесс, который Эйнштейн назвал "жутким действием на расстоянии" — для сбора информации о когерентности, необходимой для построения голографии.
Этот процесс начинается в лаборатории с излучения голубого лазера через специальный нелинейный кристалл, который разделяет луч на два, создавая запутанные фотоны в процессе. Запутанные фотоны неразрывно связаны — когда агент воздействует на один фотон, это также влияет на его партнера, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Фотоны в процессе работы команды запутаны как в направлении движения, так и в своей поляризации.
Затем два потока запутанных фотонов отправляются разными путями. Однофотонный поток — эквивалент объектного луча в классической голографии — используется для исследования толщины и поляризационного отклика целевого объекта путем измерения замедления фотонов при их прохождении через него. Форма волны света изменяется в разной степени, когда он проходит через объект, изменяя фазу света.
Между тем, его запутанный партнер попадет в пространственный модулятор света, эквивалент опорного пучка. Пространственные модуляторы света — это оптические устройства, которые могут частично замедлять скорость проходящего через них света. Как только фотоны проходят через модулятор, они имеют другую фазу по сравнению с их спутанными партнерами, которые исследовали целевой объект.
В стандартной голографии два пути затем накладываются друг на друга, и степень фазовой интерференции между ними может использоваться для создания голограммы на камере. В наиболее ярком аспекте квантовой версии голографии, разработанной командой, фотоны никогда не перекрываются друг с другом после прохождения через соответствующие цели. Вместо этого, поскольку фотоны запутаны как одна "нелокальная" частица, сдвиги фазы, испытываемые каждым фотоном по отдельности, одновременно разделяются обоими.
Явление интерференции происходит удаленно, и голограмма получается путем измерения корреляции между положениями запутанных фотонов с использованием отдельных мегапиксельных цифровых камер. Наконец, высококачественное фазовое изображение объекта получается путем объединения четырех голограмм, измеренных для четырех различных глобальных фазовых сдвигов, реализованных пространственным модулятором света на одном из двух фотонов.
В эксперименте команды фазовые узоры были восстановлены из искусственных объектов, таких как буквы «UofG», запрограммированные на жидкокристаллическом дисплее, а также из реальных объектов, таких как прозрачная лента, капли силиконового масла, расположенные на предметном стекле микроскопа, и птичье перо.
