Фізики вперше маніпулювали “квантовим світлом”, що стало величезним проривом

Вперше міжнародна команда фізиків успішно маніпулювала невеликою кількістю світлових частинок – відомих як фотони – які мають сильний взаємозв’язок між собою.

Це може звучати трохи незрозуміло, але це фундаментальний прорив у квантовій сфері, який може призвести до технологій, про які ми зараз навіть не можемо мріяти. Уявіть собі лазери, але з квантовою чутливістю, для медичної візуалізації.

“Це відкриває двері для маніпуляцій з тим, що ми можемо назвати “квантовим світлом”, – каже фізик Саханд Махмудян з Університету Сіднея.

“Ця фундаментальна наука відкриває шлях до прогресу у квантово-розширених методах вимірювання і фотонних квантових обчислень”.

Хоча фізики досягли значних успіхів у керуванні квантовими заплутаними атомами, виявилося, що набагато складніше досягти того ж самого зі світлом.

У цьому новому експерименті команда з Університету Сіднея та Університету Базеля у Швейцарії вистрілила як одним фотоном, так і парою зв’язаних фотонів у квантову точку (штучно створений атом) і змогла виміряти пряму часову затримку між власним фотоном і зв’язаними фотонами.

“Пристрій, який ми побудували, індукував настільки сильну взаємодію між фотонами, що ми змогли спостерігати різницю між одним фотоном, який взаємодіяв з ним, і двома, – каже фізик Наташа Томм, провідний автор дослідження, з Базельського університету.

“Ми помітили, що один фотон затримується на довший час порівняно з двома фотонами. Завдяки цій дуже сильній взаємодії фотон-фотон два фотони переплутуються у формі так званого двофотонного зв’язаного стану”.

Вони створили цей зв’язаний стан за допомогою вимушеного випромінювання – явища, вперше описаного Альбертом Ейнштейном у 1916 році, яке лежить в основі сучасних лазерів. (Цікавий факт: лазер розшифровується як “посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання”).

Усередині лазера електричний струм або джерело світла використовується для збудження електронів в атомах оптичного матеріалу, такого як скло або кришталь.

Це збудження підштовхує електрони вгору по орбіті в ядрі атома. А коли вони повертаються до свого звичайного стану, вони випромінюють енергію у вигляді фотонів. Це і є “стимульоване” випромінювання, і цей процес означає, що всі отримані фотографії мають однакову довжину хвилі, на відміну від звичайного білого світла, яке є сумішшю різних частот (кольорів).

Потім використовується дзеркало, щоб відбити старі і нові фотони назад до атомів, стимулюючи вироблення більшої кількості ідентичних фотонів.

Ці фотони рухаються в унісон, з однаковою швидкістю і в одному напрямку, і накопичуються, поки врешті-решт не подолають дзеркала і оптичне середовище і не вирвуться назовні у вигляді ідеально синхронізованого пучка світла, який може залишатися чітко сфокусованим на великих відстанях.

Все це відбувається за мілісекунди, коли ви натискаєте кнопку на лазерній указці (дякуємо Ейнштейну).

Цей тип холодної взаємодії між світлом і матерією лежить в основі всіх видів неймовірних технологій, таких як GPS, комп’ютери, медична візуалізація та глобальні комунікаційні мережі. Навіть LIGO, лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, яка вперше виявила гравітаційні хвилі у 2015 році, базується на лазерах.

Але всі ці технології все ще потребують великої кількості фотонів, що обмежує їхню чутливість.

Новий прорив дозволив досягти вимушеного випромінювання і детектування окремих фотонів, а також невеликих груп фотонів від одного атома, що призводить до їх сильної кореляції – іншими словами, до “квантового світла”. І це величезний крок вперед.

“Продемонструвавши, що ми можемо ідентифікувати і маніпулювати зв’язаними станами фотонів, ми зробили життєво важливий перший крок до використання квантового світла для практичного застосування”, – каже Махмудян.

Наступні кроки, за її словами, полягають у використанні цього підходу для створення станів світла, які можуть покращити роботу квантових комп’ютерів.

“Цей експеримент прекрасний не тільки тому, що він підтверджує фундаментальний ефект – вимушене випромінювання – на його кінцевій межі, але й тому, що він є величезним технологічним кроком до передових застосувань”, – додає Томм.