Российские исследователи показали, что характеристиками квантовых оптико-терагерцовых полей можно управлять с помощью нелинейного интерферометра. Ранее терагерцовое излучение, использующееся в диагностике и системах безопасности, практически не рассматривалось с точки зрения квантовых технологий. Исследование поддержано грантом Российского научного Фонда, а его результаты опубликованы в журнале Physical Review A.

Терагерцовое излучение представляет собой электромагнитные волны с частотой в диапазоне между инфракрасным и сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. В отличие от рентгеновских, терагерцовые волны не ионизируют вещество. Поэтому оно не наносит вреда тканям организма, благодаря чему его можно применять в медицинской диагностике и системах безопасности, а также для контроля качества оборудования и реставрации произведений искусства.

Но в терагерцовом диапазоне частот ученые до сих пор не исследовали процессы, способствующие появлению излучения в квантовых состояниях. Один из таких процессов — параметрическое рассеяние света. В ходе него один фотон с высокой энергией переходит в пару запутанных фотонов. Квантовые состояния этих частиц в такой системе оказываются статически зависящими друг от друга, даже если сами частицы находятся на большом расстоянии.

Благодаря этому эффекту можно изменять свойство одного фотона, воздействуя на другой, запутанный с ним. Эта технология широко применяется в квантовом шифровании, а также для создания квантовых компьютеров и сенсоров. Чаще всего при создании запутанных пар используют фотоны с длинами волн одного диапазона. Исследователи из МГУ имени М. В. Ломоносова в новой работе показали, что взаимодействия и статистической зависимости можно добиться и для частиц разных волновых диапазонов. В частности, ученые показали это для фотонов видимого и терагерцового диапазонов.

Исследователи смогли математически описать поведение фотонов в этой паре. В результате они получили решение, которое учитывало тепловые шумы, угловую расходимость и поглощение волн внутри кристалла, в котором и создается бифотонное поле. Кроме того, авторы работы подобрали наилучшие условия, при которых удобнее всего наблюдать квантовое бифотонное состояние оптического и терагерцового фотонов.

Затем ученые дополнили теорию экспериментальными данными и показали на практике, что можно управлять спектральными и пространственными свойствами оптико-терагерцовых полей. Для этого авторы использовали нелинейный интерферометр Маха — Цендера. Принцип его работы заключается в явлении квантовой когерентности, которое возникает при «перепутывании» фотонов, не идущих на детектор. Из-за этого возникает интерференционная картина в распределении видимых фотонов. По словам исследователей, такие приборы можно использовать для анализа свойств различных материалов в терагерцовом диапазоне частот.