Впервые международная группа физиков продемонстрировала возможность идентификации и манипулирования небольшим количеством взаимодействующих фотонов. Это беспрецедентное достижение представляет собой важный шаг в развитии квантовых технологий. В частности, оно может произвести революцию в медицинской визуализации и способствовать разработке более надежных квантовых компьютеров.
Наблюдая за взаимодействием света с веществом более века назад, ученые обнаружили, что свет не является ни пучком частиц, ни волной энергии, а обладает обеими характеристиками, так называемым "дуализмом волна-частица" - свойством, которое можно продемонстрировать с помощью знаменитого эксперимента со щелью Юнга. То, как свет взаимодействует с веществом, продолжает интересовать ученых и имеет важное практическое применение в информатике, астрономии, медицинских исследованиях (визуализация) и коммуникационных технологиях.
Стимулированное излучение света, постулированное Эйнштейном в 1916 году, описывает процесс невозбуждения электрона, происходящий при освещении атома светом с длиной волны, соответствующей энергии перехода между двумя электронными состояниями. Этот процесс лежит в основе работы лазеров. Впервые такое стимулированное излучение наблюдалось для одиночных фотонов. Это открывает путь к манипулированию тем, что мы можем назвать "квантовым светом", — говорит доктор Саханд Махмудиан из Школы физики Сиднейского университета и один из ведущих авторов исследования.
Фотоны, которые представляют собой "пакеты" световой энергии, нелегко взаимодействуют друг с другом. Это свойство особенно полезно для передачи информации на большие расстояния по оптическому волокну, поскольку позволяет передавать информацию со скоростью света почти без искажений. Однако в некоторых случаях взаимодействие между фотонами необходимо, например, в интерферометрах, где можно измерять крошечные изменения расстояния.
В интерферометре свет испускается из одного источника, затем разделяется на два пучка, каждый из которых проходит свой путь, после чего снова объединяется, создавая интерференцию; интерференционные картины позволяют определить разницу в длине двух пройденных оптических путей. Сегодня эти приборы используются во многих областях: для получения медицинских изображений, океанографии, спектрометрии и даже астрофизики - LIGO и Virgo являются двумя гигантскими интерферометрами, специально разработанными для обнаружения гравитационных волн.
Хотя эти приборы чрезвычайно сложны, их чувствительность ограничена законами квантовой механики - пределом, установленным между чувствительностью, при которой может быть произведено измерение, и средним числом фотонов в измерительной аппаратуре. Так называемый "квантовый свет" отличается от классического лазерного света: в принципе, его преимущество в том, что он может проводить более чувствительные измерения с лучшим разрешением, используя меньшее количество фотонов.
Это может быть особенно интересно для применения в биологической микроскопии, где необходимо наблюдать крошечные детали и где высокая интенсивность света может повредить образцы.
Поэтому исследователи разработали измерительное устройство на основе квантового света. "Созданное нами устройство вызывает настолько сильное взаимодействие между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между взаимодействием одного фотона и двух фотонов", — объясняет д-р Наташа Томм, научный сотрудник Базельского университета и соавтор исследования. В частности, ученые смогли наблюдать и измерить зависящую от числа фотонов задержку в рассеянии одного искусственного атома - полупроводниковой квантовой точки, соединенной с оптической полостью.
Одиночный фотон задерживался дольше, чем два фотона, которые запутались из-за сильного фотон-фотонного взаимодействия.
"Одиночные фотоны и двух- и трехфотонные связанные состояния имеют различные задержки, которые становятся короче с увеличением числа фотонов. Эта более короткая задержка является признаком стимулированного излучения, когда приход двух фотонов в течение времени работы излучателя заставляет один фотон стимулировать излучение другого", — объясняют исследователи в журнале Nature Physics.
Таким образом, команда продемонстрировала возможность манипулирования и идентификации фотонных состояний, сильно коррелированных во времени, что, по их мнению, является "важным первым шагом к использованию квантового света в практических целях". Доктор Томм отмечает, что этот эксперимент не только подтверждает концепцию стимулированного излучения до ее предельного предела, но и представляет собой огромный технологический шаг: по ее словам, те же принципы могут быть применены для разработки более эффективных устройств, обеспечивающих связанные состояния фотонов.
Доктор Махмудиан говорит, что следующие шаги будут направлены на определение того, как этот подход может быть использован для генерации состояний света, полезных для отказоустойчивых квантовых вычислений - цель, которую также преследуют такие компании, как PsiQuantum и Xanadu.