Реальность с частотой 100 миллионов кадров в секунду

Два резонатора оптических гребенок, совмещенные на одном чипе, на который справа подается зеленый луч лазера (pump).

Журнал Nature Physics сообщил недавно о создании портативного варианта стронциевых часов, измеривших в туннеле под Альпами предсказанное теорией относительности Эйнштейна ускорение времени. Оно «бежит» тем быстрее, чем меньше гравитации Земли при увеличении высоты, то есть удалении от ее центра. Сотрудники берлинского Института метрологии, проводившие опыт, пишут в статье «Геодезия и метрология с помощью оптических часов», что вскоре ошибка в определении высоты не будет превышать 10 см.

А исследователи из Технологического института в Карлсруэ (ФРГ) и Политехе Лозанны опубликовали в журнале Science статью, которая называется «Ультрабыстрое оптическое измерение с использованием микрорезонаторных частотных решеток». Оно проводилось с помощью оптических «гребенок», или микрорезонаторов на основе нитрида кремния (SiN), или полупроводникового стекла, дающих частотные линии разных частот-цветов (от красного до фиолетового). Наложение двух гребенок позволяет проводить измерения со скоростью 100 млн/сек. Это, например, позволило сделать замеры отметок на пуле, летящей со скоростью 150 м/сек! Авторы работы считают, что их подход позволит не только ускорить измерения, но и создать 3D-камеры, работающие в режиме реального времени, которые сделают реальными высокоточные и компактные LIDAR-системы (Laser Light Detection and Ranging).

Оптическая решетка – голубые диски, между которыми идет смещение атомов стронция под действием оранжевого лазерного луча. Иллюстрация Physorg

Их коллеги из Колумбийского университета в Нью-Йорке объединили два «частотника» на одном чипе. Резонаторы представляют колечки из SiN диаметром в десятки микрометров (мкм), поверх которых нью-йоркцы поместили платиновые нагреватели, в результате чего с помощью одного лазерного луча (pump) провели анализ на присутствие токсичного дихлорметана. Его обнаружение в воздухе заняло всего 20 микросекунд, обычным же газоанализаторам требуются секунды. Новый чип может использоваться и для частотной спектроскопии твердых и жидких материалов, пишет журнал Science Advances.

Фотоны – это кванты света, испускаемые электронами, возвращающимися в исходное состояние после недолгого возбуждения. Фотоны, направленные на пирит (FeS2), вызывают эмиссию электронов, рассеивающихся на атомах этого вещества. Это дает 3D-голограмму атомов в молекуле и их положение в пространстве. Для получения голограмм сотрудникам Технического университета в Дортмунде достаточно было всего 20 «кадров».

Их коллеги из Венского университета разработали двустороннюю коммуникацию-связь с помощью одной квантовой частицы. Сделали они это с помощью полупрозрачного зеркала-делителя (splitter), отражающего и пропускающего свет. Квантовая физика постулирует когерентность, или пребывание частицы одновременно в двух положениях. Статья ученых называется «Двусторонняя коммуникация с помощью одиночной квантовой частицы» и появилась в журналах arXiv и Physical Review Letters.

В Кембридже тоже использовали микроустройство с оптической решеткой, генерирующее серию частотных импульсов разной цветности. Сотрудники Кавендишской лаборатории в Англии исходили из того, что частицы в ходе движения в среде взаимодействуют с нею, что оставляет на частицах «метки» (теги). Состояние частиц в конце эксперимента позволяет извлечь информацию, закодированную в тегах. Опыты позволили определить знаменитую волновую функцию электронов внутренних оболочек атома ксенона. Полученные результаты высокого уровня разрешения дают возможность оценивать работу квантовых компьютеров и эффективность искусственного интеллекта (ИИ), призванного объединить воедино квантовую и классическую физику.

В основе ИИ – нейросети, которые сотрудники университета в канадском Ватеорлоо и Вектор-института Торонто вместе с коллегами из цюрихского Технического училища использовали для получения томографической реконструкции полного квантового состояния. Их статья в Nature Physics называется «Томография квантовых состояний с помощью нейросетей».