Fizycy po raz pierwszy manipulowali światłem kwantowym

Międzynarodowy zespół fizyków z Uniwersytetu w Sydney we współpracy z Uniwersytetem w Bazylei w Szwajcarii, z powodzeniem manipulował niewielką liczbą cząstek światła. Jest to duży sukces, ponieważ manipulowanie cząstkami światła jest o wiele trudniejsze, niż kontrolowanie splątanych atomów kwantowych, które fizycy mają pod kontrolą od jakiegoś czasu.

To otwiera drzwi do manipulacji tym, co możemy nazwać „światłem kwantowym”. Ta podstawowa nauka otwiera drogę do postępów w technikach pomiarowych wspomaganych kwantowo i fotonicznych obliczeniach kwantowych.

---

Te odkrycia wpłyną na stworzenie nowych technologii, o których naukowcy mogli jedynie pomarzyć. Na przykład może przyczynić się do powstania laserów do obrazowania medycznego o czułości kwantowej. Wyniki eksperymentu opublikowano w „Nature Physics”.

W eksperymencie naukowcy wystrzelili kilka związanych fotonów i pojedynczy foton w kropkę kwantową, co pozwoliło im zmierzyć bezpośrednie opóźnienie czasowe zarówno pojedynczego fotonu, jak i tych związanych. Kropka kwantowa to niewielki obszar ograniczony za pomocą barier potencjału przestrzeni, nazywana czasami sztucznym atomem.

Urządzenie, które zbudowaliśmy, wywołało tak silne interakcje między fotonami, że byliśmy w stanie zaobserwować różnicę między interakcją jednego fotonu a dwoma. Zaobserwowaliśmy, że jeden foton był opóźniony o dłuższy czas w porównaniu z dwoma fotonami. Przy tej naprawdę silnej interakcji foton-foton, dwa fotony zostają splątane w formie tak zwanego stanu związanego z dwoma fotonami.

---

Udało im się stworzyć ten stan związania dzięki zjawisku po raz pierwszy opisanemu przez Alberta Einsteina, czyli emisji wymuszonej. Polega ona na tym, że nadchodzący foton o określonej częstotliwości może wejść w interakcję ze wzbudzonym elektronem atomowym, w efekcie powodując jego spadek energii.

Prąd lub światło w laserze wykorzystywane są do pobudzania elektronów w atomach materiału optycznego takich, jak szło lub kryształ. Dzięki temu elektron zostaje wypchnięty na orbitę jądra atomowego, po czym wracając do stanu sprzed, emituje energię w postaci fotonów. Następnie przy użyciu lustra nowe i stare fotony są odbijane z powrotem w kierunku atomów, co skutkuje uzyskaniem większej ilości identycznych fotonów.

Polecamy na Antyweb | Nie, sklep nie musi przyjąć zwrotu elektroniki kupionej stacjonarnie. Nie rób scen

Fotony poruszając się z tą samą prędkością i kierunkiem, kumulują się i dochodzi do uwolnienia wiązki ostro skupionego światła. Ta technologia laserowa jest podstawą do tworzenia takich urządzeń jak GPS, obrazowanie medyczne czy globalne sieci komunikacyjne. Przełom dotyczący badań nad fotonami pozwala na stymulowaną emisję i wykrywanie zarówno pojedynczych cząstek, jak i ich małych grup, co prowadzi do silnej korelacji, czyli światła kwantowego.

Dzięki temu będzie można tworzyć lepsze komputery kwantowe i wykorzystywać to światło do bardziej praktycznych celów.

Ten eksperyment jest piękny nie tylko dlatego, że potwierdza fundamentalny efekt – stymulowaną emisję – przy jego ostatecznym limicie, ale także stanowi ogromny krok technologiczny w kierunku zaawansowanych zastosowań. 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.

---