Fizycy po raz pierwszy bawili się „światłem kwantowym” w ogromnym przełomie: ScienceAlert

Po raz pierwszy międzynarodowemu zespołowi fizyków udało się manipulować niewielką liczbą cząstek światła – zwanych fotonami – które mają ze sobą silny związek.

To może zabrzmieć trochę niejasno, ale tak jestTo fundamentalny przełom w dziedzinie kwantowej, który może doprowadzić do technologii, o której obecnie nie możemy nawet marzyć. Wyobraź sobie lasery, ale o czułości kwantowej, do obrazowania medycznego.

„To otwiera drzwi do manipulacji tym, co moglibyśmy nazwać„ światłem kwantowym ”” mówi fizyk Sahand Mahmoudian z Uniwersytetu w Sydney.

„Ta podstawowa nauka otwiera drogę do postępów w kwantowych technikach pomiarowych i fotonicznych obliczeniach kwantowych”.

Gdy fizycy doskonalą kontrolę nad splątanymi atomami kwantowymi, osiągnięcie tego samego za pomocą światła okazuje się trudniejsze.

W tym nowym eksperymencie zespół z Uniwersytetu w Sydney i Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii wystrzelił pojedynczy foton i parę fotonów związanych kropka kwantowa (sztuczny atom) i może bezpośrednio mierzyć opóźnienie czasowe między pojedynczym fotonem a związanym z nim fotonem.

„Urządzenie, które zbudowaliśmy, powodowało tak silne interakcje między fotonami, że byliśmy w stanie zaobserwować różnicę między jednym fotonem oddziałującym z nim a dwoma fotonami”. mówi fizyk Natasha TomWspółprowadzący autor, Uniwersytet w Bazylei.

„Zauważyliśmy, że jeden foton był opóźniony o dłuższy czas w porównaniu z dwoma fotonami. Przy tak silnym oddziaływaniu foton-foton dwa fotony splątają się w postaci tak zwanego stanu korelacji dwufotonowej”.

Skonfigurowali ten stan wiązania za pomocą emisja indukowana – zjawisko po raz pierwszy opisane przez Alberta Einsteina w 1916 roku, które stanowi podstawę nowoczesnych laserów. (Ciekawostka: laser to skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.)

wewnątrz lasera Służy do tego prąd elektryczny lub źródło światła szum elektronów w atomach materiału optycznego, takiego jak szkło lub kryształ.

To wzbudzenie zderza się z elektronami na orbicie w jądrze atomu. Kiedy wraca do swojego normalnego stanu, emituje energię w postaci fotonów. Są to emisje „stymulowane”, a proces ten oznacza, że ​​wszystkie otrzymane obrazy mają identyczne długości fal, w przeciwieństwie do normalnego światła białego, które jest mieszanką różnych częstotliwości (kolorów).

Lustro jest następnie używane do odbijania starych i nowych fotonów z powrotem w kierunku atomów, aby wywołać produkcję bardziej identycznych fotonów.

Te fotony poruszają się zgodnie, poruszają się z tą samą prędkością i kierunkiem oraz gromadzą się, aż w końcu pokonają lustra i ośrodek optyczny i nie wybuchają w doskonale zsynchronizowaną wiązkę światła, która może pozostać ostro skupiona na duże odległości.

Wszystko dzieje się w ciągu milisekund po naciśnięciu przycisku na wskaźniku laserowym (dzięki, Einstein).

Ten rodzaj fascynującej interakcji między światłem a materią jest podstawą wszelkiego rodzaju niesamowitych technologii, takich jak globalny system pozycjonowania (GPS), komputery, obrazowanie medyczne i globalne sieci komunikacyjne. Nawet LIGO, Laserowe Obserwatorium Fal Grawitacyjnych, które po raz pierwszy wykryło fale grawitacyjne w 2015 r., opiera się na laserach.

Ale cała ta technologia nadal wymaga dużej liczby fotonów, co ogranicza jej czułość.

Nowy przełom umożliwił teraz wymuszoną emisję i wykrywanie pojedynczych fotonów, a także małych grup fotonów z pojedynczego atomu, powodując ich silną korelację – innymi słowy, „światło kwantowe”. I to jest duży krok naprzód.

„Wykazując naszą zdolność do identyfikowania i manipulowania stanami związanymi z fotonem, zrobiliśmy ważny pierwszy krok w kierunku wykorzystania światła kwantowego do praktycznego zastosowania” mówi Mahmud.

następne kroki, wyjaśniłapolega na zastosowaniu podejścia do generowania stanów światła, które mogłyby ulepszyć komputery kwantowe.

„Ten eksperyment jest piękny, nie tylko dlatego, że dowodzi fundamentalnego efektu – emisji katalitycznych – na jego ostatecznej granicy, ale także stanowi ogromny krok technologiczny w kierunku zaawansowanych zastosowań” dodaje Tomek.

„Możemy zastosować te same zasady do opracowania bardziej wydajnych urządzeń, które dają nam stany związane z fotonami. Jest to bardzo obiecujące dla zastosowań w wielu dziedzinach: od biologii po zaawansowaną produkcję i kwantowe przetwarzanie informacji”.

Badania opublikowane w fizyka przyrody.