Ученые ЮУрГУ– специалисты в области квантовой оптики – работают над усовершенствованием технологии получения сжатых состояний света. Суть нового подхода заключается в парадоксальной, на первый взгляд, манипуляции: чтобы улучшить точность измерений, физики предлагают либо добавлять, либо вычитать единичные фотоны из светового пучка. И хотя авторы метода шутливо сравнивают его с принципом ?пойти туда, не знаю куда?, за этой метафорой стоят строгие математические модели, в перспективе открывающие путь к созданию новых квантовых компьютеров.
В квантовом мире свет постоянно ?дрожит? – его параметры подвержены случайным флуктуациям (колебаниям). В обычном состоянии эти колебания распределены равномерно. Однако в сжатом состоянии света физики могут ?перераспределить? шум: уменьшить его в одной характеристике (например, в амплитуде) за счет увеличения в другой (в фазе). Та ?компонента?, которая становится почти бесшумной, позволяет регистрировать сверхслабые сигналы, например, колебания пространства-времени при прохождении гравитационных волн.
Несмотря на кажущуюся простоту терминов, ?вычесть фотон? – это не механическое удаление ?кусочка света?. Это строго обоснованная квантовая операция, которая требует стандартного оборудования (линейной оптики и фотон-разрешающего детектора) и не нуждается в особых экзотических кристаллах.
?Самое удивительное, что процедура вычитания фотонов часто приводит к обратному эффекту: выходной свет может стать более ярким, чем входной! В некоторых случаях это позволяет получать макроскопические неклассические состояния. С точки зрения классической физики это нонсенс, но в квантовой логике – обычная практика, к которой нужно просто привыкнуть.
Объяснить данный парадокс в стандартных классических представлениях физически невозможно. Нет никаких классических аналогов того, на что именно это похоже?, – отмечает один из разработчиков нового метода – сотрудник лаборатории ?Квантовая инженерия света?, д.ф.-м.н., профессор Сергей?Подошведов.
Отвечая на вопрос, почему добавление или удаление фотона повышает чувствительность света, Сергей Анатольевич с иронией прибегает к образу из фольклора: ?Иди туда, не зная куда, принеси то, не знаю что?. В квантовой механике результат операции часто не поддается интуитивному классическому объяснению, однако он стабильно воспроизводится в лаборатории.
Интересно, что при определенных условиях процедуры добавления и вычитания фотонов становятся равносильными друг другу, что также имеет строгое математическое обоснование.
Усовершенствованные источники сжатого света находят применение в двух ключевых областях:
Гауссов бозонный сэмплинг. Это специализированная модель квантовых вычислений. Суть задачи: запустить фотоны в сложную сеть зеркал (интерферометр) и зафиксировать, в какие выходные каналы они попадут. Для обычного суперкомпьютера моделирование этого процесса становится экспоненциально сложным с ростом числа фотонов, а квантовая система решает эту задачу ?на лету?. Это позволяет вычислять сложнейшие математические функции, вроде хафниана (В математике хафниан (или гафниан) – это скалярная функция от симметричной матрицы, обобщающая перманент (постоянство). Хафниан был назван Эдуардо Р. Кайанелло ?в честь плодотворного периода его пребывания в Дании, в Копенгагене (Hafnia на латыни))?.
Ученые ЮУрГУ подчеркивают, что их подход позволяет вычислять не полные, а частные распределения вероятностей, что дает экспериментатору увеличить набор вычисляемых аналитических функций.
Мировой интерес к этой теме колоссален. В качестве примеров приводятся уже существующие разработки – оптические квантовые компьютеры ?Borealis? и ?Aurora? (последний позиционируется как универсальный). Прогресс в области фотон-разрешающих детекторов также не стоит на месте: сейчас технологии позволяют разрешать более 1000 фотонов одновременно.
У команды исследователей еще много работы.
?До недавнего времени перед нами стояла сложная математическая проблема: расчет смешения двух сжатых состояний на светоделителе с последующим измерением фотонов. Оказалось, что надо было просто подойти к решению с другой стороны, и алгоритм решения находится?, – делится планами лаборант-исследователь лаборатории ?Квантовая инженерия света?, аспирант Михаил Подошведов.
В июле 2026 года результаты текущего этапа исследований по усовершенствованию технологии получения сжатых состояний света были опубликованы в авторитетном международном научном журнале
Следующий этап – масштабирование алгоритма. На этом этапе команда лаборатории уже готовится привлекать к сотрудничеству коллег – профессиональных математиков, чтобы продвинуться в создании еще более мощных и точных квантовых устройств.
Проект реализуется в рамках Грантовой?программы В.Б.?Христенко ?Шаг в будущее?.?Это программа ежегодной?финансовой?поддержки программы развития Университета в рамках??Приоритет-2030?. Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ?и Челябинской области.