В Университете ИТМО создана Лаборатория квантовых процессов и измерений

Антон, прежде всего расскажите, пожалуйста, подробнее о целях создания новой лаборатории. Какие исследования будут в ней вестись?

Главное, зачем мы создаем новую лабораторию, это проведение фундаментальных исследований в области квантовой оптики и квантовой теории информации. Квантовые эффекты сейчас очень популярны в науке, поэтому эта область развивается семимильными шагами. Квантовая телепортация, квантовые компьютеры, квантовое распределение ключа уже долгие годы занимают умы ученых. Что-то из этого уже удалось реализовать, что-то еще не сделано, хотя физики продемонстрировали принципиальную возможность, а над чем-то ученые бьются пока без особых успехов.

При этом теория скакнула далеко вперед, в то время как в области эксперимента и его детального описания до сих пор есть определенные проблемы. На сегодняшний день для описания ряда экспериментов в квантовой оптике используются квазиклассические модели, основанные на ряде существенных упрощений, которые, строго говоря, не должны применяться в определенных случаях. Одним из наиболее ярких примеров является практически полное отсутствие моделей изменения параметров неклассических состояний света при распространении в различных средах. Подобная неполнота описания квантовых процессов не позволяет в полной мере оценивать то, что на самом деле происходит в эксперименте.

Именно поэтому нам важно создавать полностью квантовые модели различных элементов квантовой оптики, которые мы используем в экспериментах, эффективно связывать их с теоретическими построениями. Именно этим мы и будем заниматься.

В описании лаборатории также говорится о том, что в ней будут заниматься квантовым имаджингом. Поясните, что это такое?

Благодаря квантовому имаджингу мы можем создавать изображения объектов с очень высоким разрешением, превосходящим любую аппаратуру, работающую на законах классической оптики. Это относительно новый раздел квантовой оптики, который использует уникальные свойства квантовых корреляций, к примеру, квантовую запутанность.

Те экспериментальные схемы, которыми мы будем заниматься в рамках проекта, могут послужить основой для устройств «призрачного» (также двухфотонного или корреляционного) имаджинга, квантовой литографии, имаджинга с низким уровнем шумов, квантовых сенсоров и прочих устройств. Потенциально эти же исследования могут быть использованы для разработки средств для хранения, передачи и обработки данных в квантовых компьютерах, а также для передачи шифрованной информации.

А квантовая теория информации?

Квантовая теория информации является одним из наиболее развивающихся разделов современной науки. Она находится на стыке таких областей, как квантовая физика, теория информации и математика. Краеугольной задачей в квантовой теории информации является оценка пропускных способностей квантовых каналов. Пропускная способность квантового, как, впрочем, и классического, канала показывает максимально возможное количество информации, которую можно передать по нему достоверно.

Одним из основных направлений исследований в лаборатории будет анализ информационных свойств различных неклассических состояний света. Для этого будут построены модели диссипативной динамики многомодовых состояний, описывающие их распространение в различных средах.

Под многомодовыми состояниями в данном случае следует понимать состояния, созданные с помощью фазового электрооптического модулятора. Важность исследования состояний, созданных подобным образом, и их информационных свойств заключается в том, что фазовый электрооптический модулятор является одним из наиболее распространенных устройств, использующихся на сегодняшний день для кодирования информации. Таким образом, изучение фазомодулированных состояний позволит значительно расширить применения неклассических состояний света для передачи информации.

Почему именно сейчас возникла необходимость создавать новую лабораторию?

Необходимость назревала уже достаточно давно. Некоторые из наших ученых трудятся в этих направлениях уже на протяжении нескольких лет, активно участвовали в разработке систем квантового распределения ключей. Дело в том, что из-за бурного развития данной области работа постепенно уже перешла в прикладное русло, а нам по-прежнему интересно заниматься в том числе фундаментальными исследованиями.

В теоретической физике, как бы странно это ни звучало, главным критерием правильности твоей теории является ее согласование с экспериментом. Однако, когда нет эксперимента, то и согласовывать не с чем. В результате, как только появилась возможность скооперироваться с нашими коллегами, являющимся экспертами в области экспериментальной оптики, решение о создании лаборатории возникло само собой.

И все же следует ли ждать прикладных результатов от работы ученых лаборатории?

Основным прикладным значением работы нашей лаборатории будет связь абстрактных моделей квантовой теории информации с реальными физическими установками. Во-первых, это необходимо для более точного описания реализуемых протоколов квантовой информатики. Во-вторых, возможно, это позволит найти новые нетривиальные эффекты среди, казалось бы, известных вещей. В-третьих, в рамках данного проекта будут рассматриваться различные многомодовые неклассические состояния света, чего до нас никто еще не делал.

Кто войдет в команду новой лаборатории? Планируется ли привлечение новых специалистов?

Основное ядро нашей лаборатории можно разбить две части — физики-теоретики в области квантовой оптики и квантовой теории информации, а также специалисты в экспериментальной нелинейной, волоконной и квантовой оптике. Мы всегда открыты к различного рода сотрудничеству. В частности, некоторые из нас тесно взаимодействуют с отделом математических методов квантовых технологий Математического института им. В.А. Стеклова РАН.

Какого эффекта вы ожидаете от создания этой лаборатории?

На мой взгляд, есть все основания полагать, что синергетический эффект, который может получиться от слияния двух сильных групп, теоретиков и экспериментаторов, поможет нам добиться существенных результатов в области квантовой оптики и квантовой теории информации, которые будут соответствовать мировому уровню. Более того, возможность проведения подобных фундаментальных исследований может позволить значительно расширить горизонты современной науки.