Иллюстрация: Hugo Defienne et al. / Nature Physics. Квантовые голограммы все больше привлекают внимание как в широком научном сообществе, так и среди широкой публики. Данные новые технологии представляют собой передовой подход к созданию объемных изображений с возможностью взаимодействия с ними в виртуальной среде. В современной физике применяют “голографический принцип”, постулирующий возможность кодирования информации о трехмерном мире на двумерной поверхности, подобно голограмме. Квантовые голограммы не только позволяют визуализировать объемные изображения, но и предоставляют инструменты для их управления, перемещения и манипуляции. Применение квантовых голограмм охватывает широкий спектр научных дисциплин, включая физику, математику и космологию, где они используются для изучения структур и процессов во Вселенной. Эти технологии открывают новые возможности в области смешанной и виртуальной реальности, а также находят применение в сфере развлечений и искусства.

За последние три десятилетия физики разрабатывали любопытную идею –голографический принцип . Возможно, мир, в котором мы живем, включая нас самих, – это не более чем иллюзия, голограмма, созданная реальностью, в которой отсутствует важнейшая черта мира, каким мы его воспринимаем: третье измерение. Эта идея звучит как нечто, что можно найти в дальних уголках научной фантастики. Но вместо этого она возникла как важный подход к самой большой проблеме современной физики – квантовой гравитации . У нас есть две фундаментальные теории физики: теория гравитации Эйнштейна (известная как общая теория относительности ) описывает физику в самых больших масштабах планет и галактик, в то время как квантовая механика рассматривает субатомные масштабы фундаментальных частиц, из которых состоит материя. Обе эти теории необычайно успешны в своих соответствующих областях очень большого или очень малого. Но проблема возникает, когда они встречаются — в черных дырах .

Черные дыры образуются, когда большое количество массы концентрируется в крошечной области пространства. Результирующее гравитационное притяжение настолько сильно, что ничто не может вырваться из черной дыры, даже свет, поэтому вы никак не можете игнорировать гравитацию, думая о черных дырах. Малый масштаб означает, что квантовые эффекты также вступают в игру. Чтобы описать, что происходит в черной дыре, вам действительно нужна единая теория квантовой гравитации.

Один из подходов к пониманию квантовой гравитации, который де Мелло Кох из Университета Хучжоу (Китай) и Университета Витватерсранда (Южная Африка) реализует со своими коллегами, заключается в попытке описать черные дыры с помощью статистической механики . Черные дыры возникли из уравнений общей теории относительности Эйнштейна, которые описывают физику в самых больших масштабах. Статистическая механика учитывает физику, происходящую в микроскопических масштабах. (Вы можете прочитать больше о статистической механике в нашей первой статье – От паровых двигателей до пределов физики .)

Примером такого микроскопического подхода является концепция энтропии — меры количества беспорядка, возможного в физической системе. В предыдущей статье мы увидели , что чем больше возможных конфигураций мельчайших компонентов в вашей системе, тем выше энтропия вашей системы в некотором заданном макросостоянии.

Статистическая механика утверждает, что энтропия растет с размером системы, что она пропорциональна объему в нашем трехмерном мире. Это довольно интуитивно понятно — чем больше система, тем больше микроскопических конфигураций могут вступить в игру. Но энтропия черной дыры не ведет себя таким образом. Энтропия не растет с объемом черной дыры, вместо этого она пропорциональна площади поверхности черной дыры. (Вы можете прочитать больше об энтропии и парадоксе энтропии черной дыры в предыдущей статье .)

Голографический принцип

Чтобы разгадать этот парадокс энтропии черной дыры, была разработана совершенно новая идея: голографический принцип . Леонард Сасскинд, один из первых, кто точно определил голографический принцип в 1990-х годах, дал следующее описание: «Трехмерный мир обычного опыта — вселенная, заполненная галактиками, звездами, планетами, домами, валунами и людьми — это голограмма, образ реальности, закодированный на далекой двумерной поверхности».

Если голографический принцип верен, то наш трехмерный подход к физике перегибает палку. Мы должны быть в состоянии обойтись более компактной версией, которая зависит от площади, а не объема. Это поднимает тупой вопрос о том, является ли третье измерение на самом деле реальным или просто иллюзией, как трехмерное изображение, созданное в голограмме.

«По любым меркам голографический принцип странен, поэтому вы не должны просто так его принимать», — сказал де Мелло Кох в своем выступлении в Институте математических наук Исаака Ньютона . «Это звучит фантастически — а фантастические заявления требуют фантастических доказательств. И на самом деле у нас есть очень конкретная обстановка, в которой голографический принцип реализуется».

Голографическая вселенная

Продолжая работу Сасскинда и других, в 1997 году, в нежном возрасте 29 лет, физик Хуан Малдасена предложил первое в истории конкретное описание голографической вселенной.

Вселенная Малдасены не похожа на ту, в которой мы на самом деле живем: это модель, игрушечная вселенная, которая поставляется с собственной физикой. Это голограмма, потому что все физические явления внутри нее могут быть описаны физической теорией, которая определена только на границе.

Эта граничная теория — хорошо понятая квантовая теория физики элементарных частиц, очень похожая на ту, которую мы используем для описания субатомных процессов в природе. Она касается только малых масштабов и не заморачивается гравитацией.

Но несмотря на то, что гравитация не играет никакой роли на границе нашей вселенной, существо, живущее внутри, все равно будет испытывать гравитацию. Гравитация в этой вселенной является частью голографической иллюзии. Теория границ, которая определяет эту вселенную, способна описать эзотерическую теорию квантовой гравитации, которая управляет внутренней частью. Это первое в истории полное описание квантового пространства-времени.

Банка супа

Игрушечная вселенная, используемая Малдасеной, известна как антидеситтеровское пространство , в честь голландского физика Виллема де Ситтера. (Вы можете узнать больше о нем в статье Иллюзорная Вселенная .) Антидеситтеровское пространство сильно отличается от мира, в котором мы на самом деле живем. «Наш мир четырехмерен и имеет положительную космологическую постоянную . Антидеситтеровское пространство имеет отрицательную космологическую постоянную», — сказал де Мелло Кох. «Хотя изучение гравитации в этой обстановке может быть очень интересным, оно может иметь ограниченную применимость для понимания гравитации в нашей Вселенной».

Но интересно то, что модель Малдасены представляет собой конкретную реализацию голографического принципа: «Тот факт, что пятимерная теория гравитации описывается в терминах четырехмерной негравитационной теории».

Чтобы голографическую Вселенную Малдасены было легче представить, де Мелло Кох предлагает думать о ней как о банке супа. «Мы бы очень хотели пятимерную банку супа, но мы просто будем думать о трехмерной банке супа. Но в остальном это хорошее описание!»

Вертикальное направление в нашей банке — это время, и вы можете представить, как вы берете временные отрезки из банки. Щель внизу банки — это начальный временной отрезок в нашей вселенной, а щечка на самом верху банки — это конечный временной отрезок.

«Теперь, где этикетка находится на краю банки супа, там и находится негравитационная теория», — сказал де Мелло Кох. «А внутри банки находится [материя] — [это] гравитационная теория». Теория Малдасены (известная как соответствие AdS/CFT ) гласит, что на любой вопрос, который вы хотите задать о внутренней части банки супа, можно ответить, используя только теорию низшей размерности на этикетке.

Хотя соответствие AdS/CFT Малдасены доминировало в этой области с момента его открытия 25 лет назад, физики до сих пор не имеют хорошего понимания того, как работает голографический принцип. «Я бы сказал, что это все еще довольно загадочно», — сказал де Мелло Кох. Но есть чрезвычайно убедительные доказательства в пользу этой дуальности.

«Голографический принцип — это новый основополагающий принцип природы. Невероятно, что гравитация и пространство-время на самом деле являются голограммами какой-то низкоразмерной негравитационной теории». Доклад Де Мелло Коха был частью исследовательской программы, организованной INI, чтобы объединить математиков и физиков для изучения таких идей, как голографический принцип, чтобы продвинуть наше понимание черных дыр и квантовой гравитации. «Это действительно захватывающая область исследований, и осталось много открытых вопросов». Мы с нетерпением ждем новых сообщений от Де Мелло Коха и его коллег по мере их продвижения.

Впервые получена квантовая голограмма без наложения световых потоков с помощью взаимосвязи запутанных фотонов

Физики создали квантовую голограмму без прямого наложения двух световых волн. Вместо этого они использовали взаимосвязь запутанных фотонов, чтобы получить необходимую для построения изображения информацию. Статья  опубликована в журнале Nature Physics. Голограммы — это объемные изображения, которые получают, складывая две волны. В оптической голографии в роли волн выступают лучи света. Один из них отражается от предмета, и по разнице фаз со вторым лучом можно восстановить изображение. Поскольку каждой частице ставится в соответствие волновая функция, существует не только оптическая голография, но и квантовая, построенная на взаимодействии этих функций. Вместо того чтобы измерять яркость света, физики измеряют вероятность появления частиц в пространстве. С помощью квантовой голографии уже была получена голограмма одиночного фотона: фотон с неизвестной поляризацией столкнули с эталонным и зарегистрировали, как наложились друг на друга их волновые функции. Это и позволило получить пространственное распределение неизвестной частицы.

Схема эксперимента: пара запутанных фотонов проходит через два модулятора (SLM) и регистрируется двумя камерами (EMCCD). Один из модуляторов регистрирует фотоны с положительным поперечным импульсом по оси x, другой — с отрицательным. Чтобы создать голограмму, один из модуляторов выполняет измерения корреляций интенсивности на обеих камерах. Hugo Defienne et al. / Nature Physics

Эксперимент очень напоминал оптический, но в квантовой голографии присутствуют и эффекты, позволяющие создавать голограммы принципиально новыми методами.

Один из таких эффектов использовали физики из Университета Глазго под руководством Хуго Дефина (Hugo Defienne). Они создали квантовую голограмму без сложения двух волн.

Как и в оптических экспериментах, они использовали лазерный луч, который разделили на два пучка с помощью нелинейного кристалла. Кристалл позволил создать запутанные фотоны, находящиеся в связанных квантовых состояниях. Один поток фотонов попадал в пространственный модулятор света, содержащий изображаемый предмет. В качестве предмета использовали буквы «UofG» (аббревиатура названия университета) на жидкокристаллическом дисплее, а также кусочки скотча, капли силиконового масла и птичье перо.

Второй поток фотонов проходил через другой модулятор, чтобы избавиться от фазовых искажений, вызванных двулучепреломлением в нелинейном кристалле. Оба пучка после прохождения модуляторов попадали на цифровые камеры.

В классической голографии пучки нужно было бы наложить друг на друга, чтобы получить информацию о сдвиге фаз. В квантовом эксперименте ученые вместо этого использовали уникальное свойство запутанных фотонов: их способность влиять друг на друга без каких-либо взаимодействий.

Из-за этого влияния между сдвигами фаз отдельных пучков появились корреляции. Ученые измерили их, сравнив данные с двух разных камер в симметричных точках. Корреляций оказалось достаточно для построения изображения.

Изображения, восстановленные модулятором при разных значениях постоянного фазового сдвига. Hugo Defienne et al. / Nature Physics

Ученые также провели измерения, добавив в систему помехи в виде постороннего рассеянного света. Это не помешало получить изображение с четкими контурами, так что новый метод голографии менее восприимчив к внешним воздействиям, чем классическая интерференция.

Авторы работы отмечают, что голограмму можно получить и без второго модулятора. В таком случае перед камерой, регистрирующей второй пучок, нужно было бы установить вращающийся поляризатор, а фазовые искажения учесть в компьютерной модели. Ученые использовали модулятор, чтобы выполнить измерения, необходимые для подтверждения неравенства Клаузера-Хорна-Шимони-Хольта.

Оно является прямым следствием теоремы Белла, позволяющей экспериментально доказать существование квантовой запутанности. Подтвердив это неравенство, ученые показали, что квантовую голографию можно использовать не только для построения изображений, но и для получения характеристик квантовых состояний.

На свойствах запутанных частиц работает не только новый способ создания голограмм, но и квантовая коммуникация. Мы писали о создании сети квантовой коммуникации на основе запутанности между частотными модами сигнала. Также физики исследуют запутанные частицы, чтобы больше узнать о практическом значении волновой функции. Например, недавно им удалось  сфотографировать  запутанные фотоны.

Квантовые голограммы: как управлять изображениями на расстоянии с помощью запутанных фотонов?

В лабораториях Гонконгского университета науки и технологий произошло событие, способное перевернуть наше представление о возможностях оптики и квантовой физики: ученые создали квантовую голограмму, управляемую поляризацией света. Это достижение, открывающее новые горизонты в области квантовых технологий, стало возможным благодаря тонкой манипуляции светом на уровне отдельных фотонов и использованию удивительного феномена квантовой запутанности. Для начала разберемся, что же представляет собой квантовая запутанность.

Квантовая запутанность — это явление, при котором две или более частицы оказываются неразрывно связанными, несмотря на физическое расстояние между ними. Изменение состояния одной из запутанных частиц мгновенно влияет на состояние другой. Этот эффект противоречит нашей интуиции и классическим представлениям о пространстве и времени, однако многократно подтвержден экспериментально.

В своем эксперименте гонконгские физики использовали пару запутанных фотонов, рожденных в процессе спонтанного параметрического рассеяния света. Один из фотонов, названный «сигнальным», направлялся на специально разработанную метаповерхность. Метаповерхности — это ультратонкие структуры, способные манипулировать светом на наноуровне, изменяя его фазу, поляризацию и другие характеристики. В данном случае метаповерхность была спроектирована таким образом, что генерировала два разных голографических изображения в зависимости от поляризации падающего на нее фотона.

Второй фотон, «запутанный» с первым и названный «холостым», играл роль своеобразного пульта дистанционного управления. Измеряя поляризацию холостого фотона, ученые могли влиять на состояние сигнального фотона и, следовательно, изменять голографическое изображение, формируемое метаповерхностью. Этот эффект основан на интерференции световых волн. Метаповерхность генерирует два голографических изображения, которые накладываются друг на друга. Изменение поляризации холостого фотона приводит к изменению фазы одного из этих изображений, вызывая деструктивную интерференцию в определенных областях. В результате часть голограммы просто исчезает из виду, словно стертая ластиком.

Ученые проводят аналогию между своим экспериментом и известным в квантовой механике «квантовым ластиком». В классическом эксперименте с двумя щелями наблюдение за тем, через какую щель пролетает фотон, разрушает интерференционную картину на экране. Однако, если «стереть» эту информацию с помощью специального устройства — «квантового ластика» — интерференция восстанавливается. В случае квантовой голограммы поляризация холостого фотона служит аналогом маркера, указывающего «путь» сигнального фотона. Изменяя поляризацию «ластика», исследователи «стирают» эту информацию и манипулируют интерференционной картиной, формирующей голографическое изображение.

Создание управляемой квантовой голограммы — это не просто красивый физический эксперимент. Это важный шаг на пути к практическому применению квантовых технологий. Квантовые голограммы обладают огромным потенциалом в различных областях, от защиты информации и разработки новых методов шифрования до создания уникальных инструментов для фундаментальных научных исследований. Представьте себе банкноты с голографической защитой, которую невозможно подделать без знания секретного «ключа» — поляризации запутанного фотона. Или секретные сообщения, зашифрованные в квантовой запутанности, которые могут быть расшифрованы только при наличии второй запутанной частицы.

Но возможно, самое важное следствие этого открытия — еще более глубокое понимание природы квантового мира и роли наблюдателя в нем. Эксперимент с квантовой голограммой наглядно демонстрирует, как измерение состояния одной частицы может мгновенно влиять на состояние другой, даже если они разделены большим расстоянием. Это подтверждает ключевую роль наблюдателя в квантовой механике и открывает новые возможности для изучения фундаментальных законов мироздания.

Автор: Екатерина Назарова
Источник: https://nplus1.ru/, https://www.ixbt.com/, https://plus-maths-org