Физики предполагают, что интерференция возникает из-за ярких и темных состояний света

Исследование, проведенное учеными из Федерального университета Сан-Карлоса, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института квантовой оптики Макса Планка, углубляется в фундаментальный контраст между классической и квантовой физикой в контексте интерференции электромагнитных волн. Классическая физика утверждает, что при деструктивной интерференции, когда электрические поля волн компенсируют друг друга, результирующее поле не взаимодействует с материей. Однако квантовая механика предполагает, что фотоны (кванты света) продолжают взаимодействовать с материей, даже если их среднее поле равно нулю.

Работа, опубликованная в Physical Review Letters, предлагает новую интерпретацию классической интерференции через призму квантовой оптики. Авторы показывают, что классические интерференционные картины могут быть объяснены с помощью квантовых состояний света, а именно двухмодовых биномиальных состояний, которые представляют собой коллективные яркие и темные запутанные состояния.

Исследование началось с длительного сотрудничества между Селсо Дж. Виллашем-Боасом и Герхардом Ремпе, в ходе которого они обсуждали квантовую электродинамику полостей. Виллаш-Боас предложил рассмотреть ситуацию, когда атом взаимодействует с двумя световыми полями, каждое из которых находится в суперпозиции нуля и одного фотона. Это привело к аналогии с яркими и темными состояниями атомов Дикке, но с заменой атомов на оптические моды.

Герхард Ремпе провел параллель с классической интерференцией когерентных состояний света, где деструктивная интерференция создает узлы с нулевой интенсивностью, неспособные возбудить атом. Это сравнение подтолкнуло учёных к вопросу: как связаны классические максимумы/минимумы интенсивности с квантовыми яркими/темными состояниями?

Квантовая интерпретация классической интерференции

Анализ двухщелевого эксперимента показал, что интерференционные максимумы и минимумы можно объяснить через обнаруживаемые (яркие) и необнаруживаемые (темные) состояния фотонов. Темные состояния содержат фотоны, но они остаются ненаблюдаемыми в стандартных экспериментах, поскольку их амплитуды возбуждения атома взаимно уничтожаются.

Этот подход контринтуитивен: фотоны присутствуют даже в узлах интерференции, но их нельзя зарегистрировать обычными методами. Подтверждение этой идеи было найдено в более ранних экспериментах Ремпе, где мягкое измерение траектории частицы в двухщелевом опыте не нарушало интерференцию, но меняло состояние системы.

Новый взгляд на интерференцию

Теоретическая модель исследователей объединяет квантовую механику с классической интерференцией, показывая, что уравнения Максвелла являются предельным случаем квантового описания. Ключевые аспекты модели включают:

1. Квантовое описание детектора, который рассматривается как часть системы, а не как внешний классический прибор.
2. Роль запутанности, где интерференция возникает из-за суперпозиции ярких и тёмных состояний фотонов.

Этот подход разрешает давний спор о природе света (волны vs. частицы), предлагая единое описание, в котором классическая интерференция emerges из квантовых явлений.

Перспективы и дальнейшие исследования

Работа открывает новые направления для изучения, включая:

• Применение аналогичного подхода к материальным частицам (например, электронам) и их взаимодействию с детекторами.
• Исследование более сложных интерференционных систем, где квантовые эффекты могут проявляться ещё ярче.

Таким образом, исследование не только углубляет понимание интерференции, но и предлагает мост между классической и квантовой физикой, демонстрируя, как классические явления возникают из фундаментальных квантовых принципов.