Физики открыли двери для управления квантовым светом
Впервые ученые из Сиднейского и Базельского университетов в Швейцарии продемонстрировали способность манипулировать и идентифицировать небольшое количество взаимодействующих фотонов — пакетов световой энергии — с высокой корреляцией. Это беспрецедентное достижение представляет собой важную веху в развитии квантовых технологий. Она опубликована сегодня в журнале Nature Physics.
Представление художника о том, как фотоны связываются вместе после взаимодействия с искусственным атомом.
Предоставлено: Базельский университет.
Вынужденное излучение света, постулированное Эйнштейном в 1916 году, широко наблюдается при большом числе фотонов и легло в основу изобретения лазера. Благодаря этому исследованию удалось наблюдать стимулированное излучение одиночных фотонов.
В частности, ученые смогли измерить непосредственную временную задержку между одним фотоном и парой связанных фотонов, рассеянных на одной квантовой точке, типе искусственно созданного атома.
«Это открывает двери для манипулирования тем, что мы можем назвать «квантовым светом», — сказал доктор Саханд Махмудян из Школы физики Сиднейского университета и соавтор исследования.
Доктор Махмудян сказал: «Эта фундаментальная наука открывает путь для достижений в квантово-усиленных методах измерения и фотонных квантовых вычислениях».
Наблюдая за тем, как свет взаимодействует с материей более века назад, ученые обнаружили, что свет не является ни пучком частиц, ни волновой структурой энергии, но обладает обеими характеристиками, известными как корпускулярно-волновой дуализм.
То, как свет взаимодействует с материей, продолжает восхищать ученых и человеческое воображение как своей теоретической красотой, так и мощным практическим применением.
Будь то как свет пересекает огромные пространства межзвездной среды, или разработка лазера, исследование света является жизненно важной наукой с важным практическим применением. Без этих теоретических основ практически все современные технологии были бы невозможны. Ни мобильных телефонов, ни глобальной сети связи, ни компьютеров, ни GPS, ни современной медицинской визуализации.
Одним из преимуществ использования света для связи — по оптическим волокнам — является то, что пакеты световой энергии, фотоны, не легко взаимодействуют друг с другом. Это создает почти без искажений передачу информации со скоростью света.
Однако иногда нам хочется, чтобы свет взаимодействовал. И здесь все становится сложнее.
Например, свет используется для измерения небольших изменений расстояния с помощью инструментов, называемых интерферометрами. Эти измерительные инструменты теперь широко распространены, будь то передовая медицинская визуализация, важные, но, возможно, более прозаические задачи, такие как контроль качества молока, или в виде сложных инструментов, таких как LIGO, который впервые измерил гравитационные волны в 2015 году.
Законы квантовой механики устанавливают пределы чувствительности таких устройств.
Этот предел устанавливается между тем, насколько чувствительным может быть измерение, и средним числом фотонов в измерительном устройстве. Для классического лазерного света это отличается от квантового света.
Соавтор, доктор Наташа Томм из Базельского университета, сказала: «Устройство, которое мы построили, индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между одним фотоном, взаимодействующим с ним, по сравнению с двумя».
«Мы заметили, что один фотон задерживается на более длительное время по сравнению с двумя фотонами. При этом действительно сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона запутываются в форме того, что называется двухфотонным связанным состоянием».
Квантовый свет, подобный этому, имеет преимущество в том, что он, в принципе, может проводить более точные измерения с лучшим разрешением, используя меньшее количество фотонов. Это может быть важно для применений в биологической микроскопии, когда большая интенсивность света может повредить образцы и когда наблюдаемые особенности особенно малы.
«Показывая, что мы можем идентифицировать состояния, связанные с фотонами, и манипулировать ими, мы сделали жизненно важный первый шаг к практическому использованию квантового света», — сказал доктор Махмудян.
«Следующие шаги в моем исследовании заключаются в том, чтобы увидеть, как этот подход можно использовать для создания состояний света, полезных для отказоустойчивых квантовых вычислений, которыми занимаются многомиллионные компании, такие как PsiQuantum и Xanadu».
Доктор Томм сказал: «Этот эксперимент прекрасен не только потому, что он подтверждает фундаментальный эффект — стимулированное излучение — на его предельном уровне, но также представляет собой огромный технологический шаг к передовым приложениям».
«Мы можем применить те же принципы для разработки более эффективных устройств, которые дают нам связанные состояния фотонов. Это очень многообещающе для приложений в широком диапазоне областей: от биологии до передового производства и квантовой обработки информации».
Исследование проводилось в сотрудничестве между Университетом Базеля, Университетом Лейбница в Ганновере, Университетом Сиднея и Рурским университетом в Бохуме.
Ведущими авторами являются д-р Наташа Томм из Базельского университета и д-р Саханд Махмудян из Сиднейского университета, где он является будущим научным сотрудником и старшим преподавателем Австралийского исследовательского совета.
Искусственные атомы (квантовые точки) были изготовлены в Бохуме и использовались в эксперименте, проведенном группой нанофотоники Базельского университета. Теоретическая работа над открытием проводилась доктором Махмудианом в Университете Сиднея и Университете Лейбница в Ганновере.
