Физики впервые манипулировали «квантовым светом», совершив огромный прорыв
Впервые международная группа физиков успешно манипулировала небольшим количеством световых частиц, известных как фотоны, которые тесно связаны друг с другом.
Это может показаться немного туманным, но это фундаментальный прорыв в квантовой области, который может привести к технологии, о которой мы в настоящее время не можем даже мечтать. Представьте себе лазеры, но с квантовой чувствительностью, для медицинской визуализации.
«Это открывает двери для манипулирования тем, что мы можем назвать «квантовым светом», — говорит физик Саханд Махмудян из Университета Сидней.
«Эта фундаментальная наука открывает путь для достижений в квантово-усиленных методах измерения и фотонных квантовых вычислениях».
Хотя физики очень хорошо справляются с управлением квантово-запутанными атомами, это Гораздо сложнее добиться того же со светом.
В этом новом эксперименте команда из Сиднейского и Базельского университетов в Швейцарии выстрелила как одиночный фотон, так и пару связанных фотонов в квантовая точка (искусственно созданный атом) и могла измерять непосредственную временную задержку между фотоном в одиночку и фотоном, который был связан.
«Устройство, которое мы построили, индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы были способен наблюдать разницу между одним фотоном, взаимодействующим с ним, по сравнению с t wo», — говорит физик Наташа Томм, соавтор из Базельского университета.
«Мы заметили, что один фотон задерживается на большее время по сравнению с двумя фотонами. Благодаря этому действительно сильному фотон-фотонному взаимодействию два фотона запутываются в форме так называемого двухфотонного связанного состояния».
Они установили это связанное состояние, используя стимулированное излучение — явление, впервые описанное Альбертом Эйнштейном в 1916 году, который лежит в основе современных лазеров. (Любопытный факт: слово «лазер» означает усиление света за счет стимулированного излучения).
Внутри лазера электрический ток или источник света используются для возбуждения электронов внутри атомов оптического материала, такого как стекло или кристалл.
Это возбуждение толкает электроны вверх по вращаются вокруг ядра своего атома. И когда они возвращаются в свое обычное состояние, они излучают энергию в виде фотонов. Это «стимулированные» излучения, и этот процесс означает, что все полученные фотографии имеют одинаковые длины волн, в отличие от обычного белого света, который представляет собой смесь разных частот (цветов).
Затем зеркало используется для отражения старых и новых фотонов 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 зеркала 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 (спасибо, Эйнштейн).
Этот тип классного взаимодействия между светом и материей является основой для всех видов невероятных технологий, таких как как GPS, компьютеры, медицинские изображения и глобальные сети связи. Даже LIGO, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, которая впервые обнаружила гравитационные волны в 2015 году, основана на лазерах.
Но вся эта технология по-прежнему требует большого количества фотонов, что ограничивает их чувствительность. может быть.
Новый прорыв теперь позволил стимулировать излучение и детектирование одиночных фотонов, а также небольших групп фотонов от одного атома, что привело к их сильной корреляции – другими словами, «квантовый свет ‘. 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», – говорит Махмудян.
>
Следующие шаги, объясняет она, заключаются в том, чтобы использовать подход для создания состояний света, которые могут улучшить квантовые компьютеры.
«Этот эксперимент прекрасен не только потому, что он подтверждает фундаментальный эффект — вынужденное излучение — на пределе своих возможностей, но оно также представляет собой огромный технологический шаг на пути к передовым приложениям», — добавляет Томм.
«Мы можем применить те же принципы для разработки более эффективных устройств, которые дают нам связанные состояния фотонов. , Это очень перспективно для приложений в самых разных областях: от биологии до передового производства и квантовой обработки информации».
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
