Квантовый ключ к пониманию хаоса позволяет передавать изображения через сложные среды с использованием квантовой запутанности
Точная передача пространственной информации, такой как изображение объекта, является серьезной проблемой в современной оптике. Однако эта задача усложняется, как только свет проходит через неупорядоченные среды, такие как биологические ткани, атмосферная турбулентность или многомодовые оптические волокна. В таких условиях рассеяние искажает информацию, делая итоговое изображение совершенно нечитаемым. Учёные из Института нанонаук в Париже, лаборатории Кастлера-Бросселя и Университета Глазго разработали инновационный метод, который делает рассеивающую среду прозрачной исключительно для информации, переносимой запутанными парами фотонов, в то время как та же среда остается полностью непрозрачной для классического света. Их работы опубликованы в журналах Optica и Nature Physics.
Рис.1. Впечатление художника о технике. Фото: Хьюго Дефьен, Хлоя Верньер.
Для решения подобных задач существуют методы формирования волнового фронта. Модулируя фазу света с помощью пространственных модуляторов света (SLM), они позволяют компенсировать эффекты рассеяния и перефокусировать свет, будь то классический или квантовый. Однако до сих пор эти методы просто обращали процесс рассеяния, не используя квантовую природу света.
Квантовая оптика предоставляет принципиально более богатую основу, чем её классический аналог, опираясь на "двойную линейность", которая предлагает ранее недоступные решения для передачи. Используя это свойство, был предложен метод, основанный на пространственных корреляциях запутанных пар фотонов (для преодоления оптического беспорядка и преобразования сложной среды в селективный фильтр), способный различать классическую и квантовую информацию. Таким образом, запутанность выступает в качестве уникального физического ключа для навигации в хаосе.
Рис.2. Концепция и результаты экспериментов. Фото: Хьюго Дефьен, Хлоя Верньер.
Эксперимент включает оптимизацию фазовой маски на пространственном модуляторе света (SLM) для сохранения пространственных корреляций запутанных фотонов после их прохождения через рассеивающую среду. Такой подход приводит к физическим решениям, которые невозможно получить с помощью классических методов оптимизации. Он основан на уникальном свойстве запутанности: сохранении корреляций между различными оптическими базисами (здесь — базис входного изображения и специфический базис рассеивающей среды). Таким образом, пространственные корреляции пар фотонов (прошедшего изображения) сохраняются на выходе, тогда как в классическом свете, подвергнутом той же смене базиса, информация систематически разрушается.
Преобразуя оптический беспорядок в селективный фильтр, способный различать классическую и квантовую информацию, данное исследование знаменует собой концептуальный поворот: сложные среды перестают быть просто препятствиями, которые нужно преодолеть, и становятся активными и программируемыми компонентами.
