Группа российских ученых из МФТИ, МИФИ и Института ядерных исследований РАН достигла значительного прогресса в изучении квантовой запутанности, создав и успешно протестировав инновационную экспериментальную установку для измерения поляризационных корреляций фотонов, образующихся при аннигиляции электрон-позитронных пар. Результаты исследования опубликованы в журнале РАН «Приборы и техника эксперимента».
Квантовая запутанность — это удивительное явление, когда две или более частиц связаны между собой таким образом, что их квантовые состояния оказываются скоррелированными, даже если эти частицы пространственно разделены.
Аннигиляция электрон-позитронных пар в состоянии покоя является одним из классических источников запутанных фотонов, обладающих взаимно-перпендикулярной поляризацией. Но взаимодействие этих фотонов с веществом может привести к декогеренции — потере квантовой запутанности.
Разрешение противоречий в понимании комптоновского рассеяния запутанных и декогерентных фотонов является главной задачей недавнего исследования российский ученых. Некоторые теоретические работы ставили под сомнение результаты предыдущих экспериментов, утверждая об идентичности рассеяния в запутанном и декогерентном состояниях. Это противоречие требовало прямого экспериментального сравнения.
«Наша работа предоставляет возможность непосредственно сравнить поляризационные корреляции рассеянных аннигиляционных фотонов в запутанном и смешанном состояниях, что позволяет разрешить длительные споры в научном сообществе», — рассказал Султан Мусин, ассистент кафедры общей физики МФТИ, младший научный сотрудник ИЯИ РАН.
Для решения этой задачи учёные разработали и построили уникальную двухплечевую экспериментальную установку, представляющую собой систему комптоновских поляриметров. Установка состоит из двух идентичных плеч, расположенных симметрично относительно источника аннигиляционных фотонов.
Рисунок 1. Схема двухплечевой экспериментальной установки, состоящей из комптоновских поляриметров (а), и фото установки (б). Источник: журнал «Приборы и техника эксперимента»
Для декогеренции в экспериментах использовался процесс рассеяния Комптона. В качестве рассеивателей в установке расположены цилиндры из пластмассового сцинтиллятора, регистрирующие энергию электронов отдачи при комптоновском рассеянии фотонов. Размеры рассеивателей (диаметр 20 мм, длина 30 мм) подобраны для оптимизации эффективности рассеяния и минимизации вероятности двойного рассеяния в одном детекторе.
Рисунок 2. Фото компонентов детектора рассеянных фотонов (а) и фото промежуточного рассеивателя из GAGG-сцинтиллятора и матрицы кремниевых фотоумножителей (б). Источник: журнал «Приборы и техника эксперимента»
По окружности вокруг каждого из основных рассеивателей были расположены детекторы рассеянных фотонов: 32 детектора NaI(Tl) (кристаллы иодида натрия, активированные таллием). Они регистрируют рассеянные фотоны, предоставляя информацию об их энергии и направлении. Высокое энергетическое разрешение (около 3,5 % для энергии 511 кэВ) критически важно для точности измерений.
В одном из плеч установки был установлен сцинтиллятор GAGG (гадолиний-алюминий-галлиевый гранат). Он служит для контролируемой декогеренции фотонов. Регистрация сигнала в этом детекторе означает, что фотон перешел в декогерентное состояние; отсутствие сигнала — сохранение запутанности.
Установка регистрирует совпадения сигналов в основных рассеивателях двух плеч. Это позволяет отбирать события, где оба фотона из пары участвуют в комптоновском рассеянии. Информация о рассеянии (энергии и углы) регистрируется с помощью высокоскоростного амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП).
Обработка данных включает калибровку детекторов с использованием радиоактивных источников и моделирования Монте-Карло (программа Geant4) для учета влияния геометрических факторов и энергетического разрешения детекторов.
Эксперимент подтвердил возможность измерения и сравнения поляризационных корреляций пар рассеянных аннигиляционных фотонов в запутанном и декогерентном состояниях. Анализ данных показал синусоидальную зависимость числа совпадений в детекторах от угла между ними, что согласуется с квантовой теорией запутанности. Получены амплитудные характеристики всех детекторов, что позволило минимизировать влияние фоновых процессов и повысить точность измерений.
Разработанная установка может быть использована для дальнейших исследований в области квантовой оптики, квантовой информации и квантовых измерений.
Авторами исследования было показано, что применение органических и неорганических сцинтилляторов позволило создать относительно простую установку по регистрации комптоновского рассеяния обсуждаемых фотонов. Благодаря низкому эффективному заряду пластмассового сцинтиллятора обеспечена оптимальная эффективность комптоновского рассеяния при минимальной вероятности фонового двукратного рассеяния в основном рассеивателе. Дальнейшие исследования будут направлены на повышение точности измерений, расширения функциональности установки для изучение более сложных квантовых состояний.
