Новая форма света — взаимодействующие фотоны

Попробуйте провести эксперимент: возьмите два фонарика и осветите темную комнату так, чтобы их световые лучи пересекались. Вы заметили что-нибудь особенное? Скорее всего что нет. Это потому, что отдельные фотоны, составляющие свет, не взаимодействуют друг с другом.

Но что, если легкие частицы могут быть созданы для взаимодействия, притягивания и отталкивания друг друга, как атомы в обычной материи? Одна из таких фантастических возможностей: световые мечи — лучи света, которые могут сталкиваться и нажимать друг на друга, делая ослепительные, эпические сражения как в знаменитом фильме. Или, в более вероятном сценарии, два луча света могут встречаться и сливаться в один единственный светящийся поток.

Может показаться, что такое оптическое поведение потребует изменения правил физики, но на самом деле ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, продемонстрировали, что фотоны действительно могут быть использованы для взаимодействия — достижение, которое может открыть путь к использованию фотонов в квантовых вычислениях, если не в световых мечах.

В статье, опубликованной в журнале Science, команда во главе с профессором физики Вулфом Владаном Вулитиком и профессором Михаилом Лукиным из Гарвардского университета сообщает, что они наблюдали группы взаимодействующих трех фотонов, которые, по сути, слипались, чтобы сформировать совершенно новый вид фотонной материи.

В контрольных экспериментах исследователи обнаружили, что когда очень слабый лазерный луч проходит через плотное облако ультрахолодных атомов рубидия, он не выходит из облака в виде одиночных, случайно разнесенных фотонов — наоборот, фотоны оказывались связанные вместе в парах или триплетах.

В то время как фотоны обычно не имеют массы и движутся со скоростью 300 000 километров в секунду (скорость света), исследователи обнаружили, что связанные фотоны фактически приобрели долю массы электрона. Эти вновь взвешенные легкие частицы также были относительно медленными, перемещаясь примерно в 100 000 раз медленнее, чем обычные невзаимодействующие фотоны.

Вулетич говорит, что результаты показывают, что фотоны действительно могут влиять друг на друга. Если их можно заставить взаимодействовать другими способами, фотоны могут быть использованы для выполнения чрезвычайно быстрых, невероятно сложных квантовых вычислений.

В соавторы Вулети входят Ци-Юнг Лян, Серхио Канту и Трэвис Николсон из Массачусетского технологического института, Лукин и Адитья Венкатрамани из Гарварда, Майкл Гулланс и Алексей Горшков из Университета Мэриленда, Джефф Томпсон из Принстонского университета и Чэн Цин из Университета Чикаго.

Пара и тройка

Вулетик и Лукин вместе искали пути, как теоретические, так и экспериментальные, для исследования взаимодействия между фотонами. В 2013 году их усилия оправдались, так как команда впервые увидела, что пары фотонов взаимодействуют и связываются друг с другом, создавая совершенно новое состояние материи.

В своей новой работе исследователи задавались вопросом, могут ли быть взаимодействия не только между двумя фотонами.

«Например, вы можете объединить молекулы кислорода с образованием O2 и O3 (озон), но не O4, а для некоторых элементов вы не можете образовать даже трехчастичную молекулу», — говорит Вулетик. «Так что это был открытый вопрос: можете ли вы добавить больше фотонов в молекулу?»

Чтобы это выяснить, команда использовала тот же экспериментальный подход, который они использовали для наблюдения двухфотонных взаимодействий. Процесс начинается с охлаждения облака атомов рубидия до ультрахолодных температур, всего на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля. Охлаждение атомов замедляет их до почти полной остановки. Через это облако атомов исследователи светят очень слабым лазерным лучом  — настолько слабым, что фактически только несколько фотонов путешествуют по облаку в каждый момент времени.

Затем исследователи измеряют фотоны, когда они выходят с другой стороны облака атомов. В новом эксперименте они обнаружили, что фотоны выходят как парами так и тройками, а не выходят из облака в произвольном одиночном состоянии.

В дополнение к отслеживанию количества и скорости фотонов команда измеряла фазу фотонов до и после прохождения через облако атомов. Фаза фотона указывает на его частоту колебаний.

«Эта фаза говорит вам, насколько сильно они взаимодействуют, и чем больше фаза, тем сильнее они связаны друг с другом», — объясняет Венкатрамани. Команда заметила, что, когда трехфотонные частицы одновременно выходят из облака атомов, их фаза сдвигается по сравнению с тем, что было, когда фотоны вообще не взаимодействовали и она в три раза больше фазового сдвига двухфотонных молекул. «Это означает, что эти фотоны не только каждый из них независимо взаимодействует, но все они вместе взаимодействуют гораздо сильнее».

Памятные встречи

Затем исследователи разработали гипотезу для объяснения того, что могло бы вызвать взаимодействие фотонов в первую очередь. Их модель, основанная на физических принципах, выдвигает следующий сценарий: когда один фотон движется через облако атомов рубидия, он ненадолго приземляется на соседний атом, прежде чем переходить на другой атом — как пчела, перемещающая между цветами, до тех пор, пока он не достигнет конца облака.

Если другой фотон одновременно перемещается через облако, он также может провести некоторое время на атоме рубидия, образуя поляритон — гибрид, который является частично фотоном, частично атомом. Тогда два поляритона могут взаимодействовать друг с другом через их атомную составляющую. На краю облака атомы остаются там, где они есть, а фотоны выходят, все еще соединенные вместе. Исследователи обнаружили, что это же явление может иметь место с тремя фотонами, образуя еще более сильную связь, чем взаимодействия между двумя фотонами.

«Интересно было, что эти триплеты вообще сформировались, — говорит Вулетик. «Также не было известно, будут ли они одинаково, меньше или сильнее связаны по сравнению с парами фотонов».

Все взаимодействие в облаке атомов происходит за миллионную долю секунды. И именно это взаимодействие заставляет фотоны оставаться связанными вместе, даже после того, как они покинули облако.

«Что в этом хорошего — это то, что когда фотоны проходят через среду, все, что происходит в среде, они «помнят», когда они выходят, — говорит Канту.

Это означает, что фотоны, которые взаимодействовали друг с другом, в этом случае через притяжение между ними, можно рассматривать как сильно коррелированные или запутанные — ключевое свойство для любого квантового компьютерного бита.

«Фотоны могут путешествовать очень быстро на большие расстояния, и люди используют свет для передачи информации, например, в оптических волокнах», — говорит Вулетик. «Если фотоны могут влиять друг на друга, тогда, если вы можете запутать эти фотоны, и мы это сделали, вы можете использовать их для распространения квантовой информации интересным и полезным способом».

Двигаясь вперед, команда будет искать способы реализации других взаимодействий, таких как отталкивание, когда фотоны могут отбрасывать друг друга, как бильярдные шары.

«Это совершенно удивительно в том смысле, что мы даже не знаем иногда, чего ожидать», — говорит Вулетик. «С отталкиванием фотонов они могут быть такими, что они образуют правильный узор, как кристалл света? Или что-то еще произойдет? Это очень неизведанная территория».

Больше информации: «Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium» Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aao7293