Физики впервые манипулировали «квантовым светом», совершив огромный прорыв

 

Представление художника о фотонах, стимулирующих квантовую точку. (Фото: sciencealert.com)

Впервые международная команда физиков успешно манипулировала небольшим количеством световых частиц, известных как фотоны, которые тесно связаны друг с другом.

Это может показаться немного неясным, но это фундаментальный прорыв в квантовой сфере, который может привести к технологии, о которой мы в настоящее время даже не можем мечтать. Представьте себе лазеры, но с квантовой чувствительностью, для медицинской визуализации.

«Это открывает двери для манипулирования тем, что мы можем назвать «квантовым светом», — говорит физик Саханд Махмудян из Сиднейского университета.

«Эта фундаментальная наука открывает путь для достижений в квантово-усиленных методах измерения и фотонных квантовых вычислениях».

В то время как физики очень хорошо справляются с управлением квантово-запутанными атомами, добиться того же со светом оказалось гораздо сложнее.

В этом новом эксперименте команда из Сиднейского и Базельского университетов в Швейцарии направила один фотон и пару связанных фотонов на квантовую точку (искусственно созданный атом) и смогла измерить прямую временную задержку между фотоном сами по себе и те, которые были связаны.

«Устройство, которое мы построили, индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между одним фотоном, взаимодействующим с ним, и двумя», — говорит физик Наташа Томм, соавтор исследования, из Базельского университета.

«Мы заметили, что один фотон задерживается на более длительное время по сравнению с двумя фотонами. При этом действительно сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона запутываются в форме того, что называется двухфотонным связанным состоянием».

Они установили это связанное состояние с помощью стимулированного излучения — явления, впервые описанного Альбертом Эйнштейном в 1916 году и лежащего в основе современных лазеров. (Забавный факт: лазер означает усиление света за счет стимулированного излучения.)

Внутри лазера электрический ток или источник света используются для возбуждения электронов внутри атомов оптического материала, такого как стекло или кристалл.

Это возбуждение толкает электроны вверх по орбите в ядре их атома. И когда они возвращаются в свое обычное состояние, они излучают энергию в виде фотонов. Это «стимулированные» излучения, и этот процесс означает, что все полученные фотографии имеют одинаковую длину волны, в отличие от обычного белого света, который представляет собой смесь разных частот (цветов).

Затем используется зеркало, чтобы отражать старые и новые фотоны обратно к атомам, стимулируя производство большего количества идентичных фотонов.

Эти фотоны движутся в унисон, путешествуя с одинаковой скоростью и направлением, и накапливаются, пока, в конце концов, они не преодолеют зеркала и оптическую среду и не вырвутся на свободу в идеально синхронизированном луче света, который может оставаться четко сфокусированным на больших расстояниях.

Все это происходит за миллисекунды, когда вы нажимаете кнопку на лазерной указке (спасибо, Эйнштейн).

Этот тип прохладного взаимодействия между светом и материей является основой для всех видов невероятных технологий, таких как GPS, компьютеры, медицинские изображения и глобальные коммуникационные сети. Даже LIGO, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, которая впервые обнаружила гравитационные волны в 2015 году, основана на лазерах.

Но все эти технологии по-прежнему требуют большого количества фотонов, что ограничивает их чувствительность.

Новый прорыв в настоящее время позволил добиться стимулированного излучения и обнаружения одиночных фотонов, а также небольших групп фотонов от одного атома, что привело к их сильной корреляции — другими словами, к «квантовому свету». И это огромный шаг вперед.

«Показав, что мы можем идентифицировать состояния, связанные с фотонами, и манипулировать ими, мы сделали важный первый шаг к практическому использованию квантового света», — говорит Махмудян.

Следующие шаги, объясняет она, заключаются в использовании подхода для создания состояний света, которые могут улучшить квантовые компьютеры.

«Этот эксперимент прекрасен не только потому, что он подтверждает фундаментальный эффект — индуцированное излучение — на его предельном уровне, но также представляет собой огромный технологический шаг к передовым приложениям», — добавляет Томм.

«Мы можем применить те же принципы для разработки более эффективных устройств, которые дают нам связанные состояния фотонов. Это очень многообещающе для приложений в широком диапазоне областей: от биологии до передового производства и квантовой обработки информации».

Источник