Эмуляция когерентного поглощения квантового света в состоянии Фокка в программируемой линейной фотонной схеме

Почему это важно

Современные технологии, использующие свет — такие как волоконно‑оптические сети и квантовые компьютеры — обычно рассматривают потерю света как нежелательный фактор. Это исследование переворачивает такую точку зрения. Авторы показывают, как тщательно сконструированные потери можно использовать как инструмент для формирования поведения отдельных фотонов, открывая путь к новым типам сенсоров, фильтров и симуляторов для квантовых технологий, все это на компактном чипе.

Формирование света с помощью потерь

Когда свет проходит через материал, часть его обычно поглощается и превращается в тепло. Если два световых пучка встречают один и тот же поглотитель с противоположных сторон, их колебания могут складываться или гасятся в пространстве, создавая светлые и тёмные области. В зависимости от того, как совпадают их пики, поглотитель может поглотить почти весь свет или пропустить большую его часть. Это явление, называемое когерентным поглощением, использовалось с обычными лазерными лучами для переключения и управления сигналами. В этой работе авторы исследуют, что происходит, когда свет состоит из отдельных фотонов и заранее подготовленных пар фотонов, а поглотитель представляет собой не простую пластину, а программируемую оптическую схему, вытравленную на кремниевом чипе.

Программируемая оптическая площадка на чипе

Команда создала устройство из сети из восьми каналов волноводов и крошечных интерферометров, известных как интерферометры Маха–Цендера. Нагревая определённые участки чипа, они тонко настраивают фазы и коэффициенты разделения по разным путям, фактически программируя схему. Ключевой приём — имитация ненулевого (поглощающего) светового делителя — компонента, который одновременно пропускает и отражает свет, направляя часть его во «внешнюю среду». Вместо истинного уничтожения фотонов чип перенаправляет их в дополнительный выходной канал, который играет роль анциллы, или вспомогательного режима. Такой подход вкладывает необратимый процесс (потери) в более широкую обратимую эволюцию, позволяя реализовать произвольные неунитарные преобразования при сохранении учёта каждого фотона.

Одиночные фотоны: управление между потерей и выживанием

Для теста схемы авторы сначала подают один фотон, который разделяется в сбалансированную суперпозицию двух путей. Меняя относительную фазу между этими путями, они могут выбирать, будет ли этот фотон вести себя как «светлый» режим, сильно связанный с эффективным поглотителем, или как «тёмный» режим, обходящий его. В измерениях они наблюдают, как количество срабатываний в анциллярном канале плавно возрастает и убывает при настройке фазы, с почти полным поглощением при определённых установках. Одновременно оставшийся свет на двух основных выходах показывает интерференционные полосы, видимость и относительная фаза которых зависят от степени включения эффективного поглотителя. По статистике множества регистраций авторы вычисляют классическую информацию Фишера — меру чувствительности установки к малым фазовым изменениям — и находят, что для одиночных фотонов фазовая чувствительность может достигать фундаментального предела, ожидаемого для такого зонда.

Запутанные фотонные пары: улучшенное зондирование и экзотические интерференции

Эксперимент осложняется, когда на вход подаётся двухфотонное состояние NOON — особая форма запутанного света, при которой оба фотона проходят вместе по одному пути или по другому. Такое состояние накапливает фазу вдвое быстрее одиночного фотона, и результирующие интерференционные полосы повторяются вдвое чаще. Внутри того же чипа исследователи наблюдают режимы, в которых ровно один фотон всегда теряется в анциллу, в то время как его партнёр выходит через основные выходы, и другие режимы, где оба фотона совместно поглощаются с высокой вероятностью. Они также фиксируют эффекты слипаний и разъединений (bunching и anti‑bunching), когда фотоны предпочитают выходить вместе через один порт или вынуждены разделяться по разным портам в зависимости от программируемого паттерна потерь. Сравнивая измерения с детальной теорией, они находят очень хорошее согласие, показывая, что чип точно реализует требуемые преобразования. Важно, что для этих запутанных входов суммарная информация Фишера достигает примерно 3.4 — выше стандартного предела шумовой флуктуации для двух независимых фотонов и близко к предельному квантовому значению для измерений фазы двумя фотонами.

От квантовых фильтров к более умным сенсорам

Помимо демонстрации тонкого контроля за поглощением фотонов, эта работа предлагает универсальный строительный блок для будущих квантовых фотонных систем. Поскольку потери имитируются перенаправлением света в отдельный режим, а не уничтожением, «потерянные» фотоны, в принципе, можно измерить или повторно использовать позднее. Это делает тот же чип пригодным для задач, таких как квантовая фильтрация состояний, где удаляются только определённые суперпозиции, а также для моделирования открытых квантовых систем, в которых частицы обмениваются энергией с окружением. Возможность программировать распределение фазовой информации между различными выходными паттернами предлагает новые стратегии для адаптивного и мультиплексного квантового зондирования, где несколько детекторов совместно читают тонкий сигнал. Короче говоря, авторы показывают, что тщательно сконструированные потери, реализованные в программируемом чипе, могут стать мощным ресурсом, а не недостатком в стремлении к практичным квантовым технологиям.

Цитирование: Krishna, G., Gao, J., O’Brien, S. et al. Emulation of coherent absorption of Fock-state quantum light in a programmable linear photonic circuit. Nat Commun 17, 4211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72850-6

Ключевые слова: квантовая фотоника, когерентное поглощение, интегрированные фотонные схемы, состояния NOON, квантовое зондирование