НАУКА

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

Поширити:

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”).

Читайте також:  Російське космічне сміття підбило китайський метеосупутник

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.

Читайте також:  У пустелі Мохаве живе один з найдавніших організмів у світі

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.

+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
Читайте також:  Марсохід Perseverance встановив новий рекорд з виробництва кисню на Червоній планеті