Мониторинг мультимодового сжатия в реальном времени

Почему важно наблюдать квантовый свет

Обычно свет воспринимают как гладкое и непрерывное явление, но на квантовом уровне он становится зернистым и шумным. Физики научились «сжимать» этот шум, подавляя его в полезном направлении — это может сделать датчики более точными, коммуникации — более защищёнными, а квантовые компьютеры — более мощными. Работа, описанная в этой статье, показывает, как наблюдать и управлять множеством сжатых паттернов света одновременно, в реальном времени, внутри одного луча лазера — способность, которая может открыть доступ к гораздо более продвинутым квантовым технологиям.

Много паттернов внутри одного пучка

Лазерный пучок может тайно нести десятки различных пространственных паттернов света, называемых модами, все сложенные вместе. Каждая мода может содержать своё сжатое квантовое состояние, так что один пучок может выступать в роли высокоёмкой квантовой шины данных. До сих пор, однако, учёные могли изучать эти моды только по одной, используя метод сравнения пучка с эталонным лучом. Этот подход медленный, легко портится потерями и шумом и по существу ограничен наблюдением одной моды за раз — что далеко не идеально для крупномасштабных квантовых сетей или вычислений, зависящих от одновременной работы множества мод.

Использование света для чтения света

Авторы заменяют традиционный детектор другим специально сконструированным оптическим усилителем. Этот усилитель, основанный на нелинейном кристалле, усиливает или подавляет определённые флуктуации входящего квантового света, почти не реагируя на обычные потери после усиления. Поскольку сам усилитель поддерживает множество пространственных мод, он может воздействовать на все них одновременно. Тщательно формируя сильный накачивающий пучок, приводящий усилитель в действие, команда добивается того, что его внутренние моды хорошо совпадают с модами входного сжатого света, так что каждый паттерн во входном пучке чётко отображается на соответствующий паттерн на выходе.

Сортировка и измерение множества мод одновременно

После усиления различные пространственные паттерны всё ещё идут вместе в одном пучке, поэтому следующая задача — разделить их, не разрушив квантовые свойства. Исследователи используют программируемое устройство, которое направляет каждый паттерн на отдельную яркую область на камере, фактически превращая стопку перекрывающихся мод в массив отдельных пикселей. Несмотря на то что этот процесс сортировки чрезвычайно потерьный — менее одного фотона из 300 достигает детектора — предыдущий этап усиления делает измерение устойчивым. Таким образом они одновременно контролируют девять различных пространственных мод и отслеживают, как их квантовый шум колеблется между сжатыми и антисжатыми значениями при медленном изменении фазы накачивающего пучка.

Построение квантовых сетей внутри пучка

Наличие доступа в реальном времени ко многим отдельным модам позволяет команде делать больше, чем просто измерять их по отдельности. Взяв подходящие суперпозиции этих паттернов, они формируют небольшие строительные блоки квантовых сетей, известные как кластерные состояния, в которых несколько «узлов» разделяют сильные квантовые корреляции. Авторы демонстрируют и характеризуют многие двумодовые кластеры и оценивают качество более крупных трёх-, четырёх- и пятимодовых сетей, все закодированные в различных комбинациях одних и тех же базовых пространственных мод. Удивительно, но несмотря на большие общие потери при детектировании, они наблюдают очень сильное сжатие — почти восемь децибел — для фундаментальной моды с высокой чистотой, что устанавливает рекорд для импульсного сжатого света.

Что это значит для будущих квантовых устройств

Для неспециалиста главное сообщение заключается в том, что авторы превратили хрупкий, трудноизмеримый квантовый ресурс в нечто, что можно наблюдать и направлять в реальном времени по множеству каналов одновременно. Используя оптический усилитель, естественно согласованный с источником сжатого света, они преодолевают обычные ограничения, связанные с потерями, ограниченной полосой пропускания и одномодовой работой. Ту же стратегию можно распространить на цветовые (частотные) моды так же, как и на пространственные, и масштабировать до десятков или сотен мод. Это делает метод сильным кандидатом для питания будущих квантовых датчиков, сверхзащищённых каналов связи и крупных квантовых компьютеров непрерывных переменных, основанных на сложных сетях запутанного света.

Цитирование: Kalash, M., Sudharsanam, A., M. Passos, M.H. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nat Commun 17, 3904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72357-0

Ключевые слова: мультимодовый сжатый свет, оптическое параметрическое усиление, квантовая визуализация, энтропия непрерывных переменных, кластерные состояния