Физики впервые манипулировали «квантовым светом», совершив огромный прорыв
Исследования могут продвинуть медицинскую визуализацию и квантовые вычисления.
Впервые международная команда физиков успешно манипулировала небольшим количеством световых частиц, известных как фотоны, которые были тесно связаны друг с другом.
Как говорят ученые, это фундаментальный прорыв в квантовой области, который может привести к технологии, о которой мы в настоящее время даже не можем мечтать.
«Исследование 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 ученые из Сиднейского и Базельского университетов направили один фотон и пару связанных фотонов на квантовую точку (искусственно созданный атом) и смогли измерить прямую временную задержку между фотоном, который был сам по себе и фотонами, 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», — говорят ученые.
«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.)
В лазере 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 такой процесс означает, что все полученные фотоны 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 зеркало 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.
Этот тип взаимодействия между светом и материей является основой для всех видов современных 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.
«Показывая, что мы можем идентифицировать состояния, связанные с фотонами, и манипулировать ими, мы сделали важный первый шаг к практическому использованию квантового света», — говорят ученые.
Следующие шаги, по их мнению, 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».
«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».
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.