В рамках исследования группой ученых из известного Массачусетского технологического, а также Гарвардского университетов была разработано новое состояние света, при котором все фотоны объединяются в группы, взаимодействуют друг с другом, замедляются и приобретают массу. Данная работа базируется на предшествующих достижениях той же научной группы по созданию так называемых «фотонных молекул» — структур из пар взаимодействующих фотонов. И если создание подобного взаимодействия для двух частиц является возможным, то логично предположить возможность аналогичного процесса с участием трех или более сцепленных фотонов. “К примеру, мы можем объединить атомы кислорода и получить молекулы O2 и O3 (озон), но молекулу O4 получить уже не удастся никаким из известных способов.

Более того, большинство химических элементов не могут иметь молекулы, состоящие из трех атомов” – рассказывает Владан Вулетик (Vladan Vuletic), ведущий исследователь, – “В связи с этим у нас возник вопрос, можем ли мы добавить дополнительные фотоны и получить фотонные молекулы больших размеров?”.

Новые эксперименты были во многом похожи на предыдущие. Облако атомов рубидия было охлаждено до температуры, близкой к температуре абсолютного ноля. После этого внутрь этого облака был направлен очень слабый луч света, в потоке которого содержалось по нескольку фотонов за один раз. И ученые измеряли параметры фотонов, которые появлялись из недр облака сверхохлажденных атомов.

В обычных условиях из недр облака атомов через случайные промежутки времени выходили бы единичные фотоны, двигающиеся в произвольном направлении. Однако, ученые зарегистрировали необычный факт, фотоны покидали пределы облака атомов группами по два-три фотона. Мало того, что такие фотоны буквально притягивались друг к другу, они получили массу. И пусть эта обретенная масса соответствует только маленькой части массы электрона, это огромный скачек для частицы, не имеющей массы покоя в обычных условиях. Обретение массы фотонами сказалось на их скорости перемещения, делая их в 100 тысяч раз медленней скорости света, скорости, с которой они распространяются в обычных условиях.

Помимо скорости и массы ученые измерили частотную характеристику фотонов, известную как фазу. Чем большее значение (смещение) имеет эта фаза, тем сильней взаимодействуют частицы света друг с другом. И изменение фаз фотонов, входящих в тройку, в три раза больше изменения фазы фотонов, входящих в пару.

“Удивителен сам факт того, что фотоны вообще смогли сформировать тройки” – рассказывает Вулетик, – “И в будущем мы постараемся выяснить, насколько более сильно связаны фотоны в тройках по отношению к фотонам, объединившимся в пары”.

Так почему же происходит столь необычное явление? Для объяснения этого ученые выдвинули правдоподобную гипотезу, когда изначальные фотоны врезаются в атомы рубидия, возникают поляритоны, квантовые частицы, состоящие наполовину из света и наполовину из материи. Поляритон имеет массу и он может взаимодействовать с другими поляритонами. В момент такого взаимодействия поляритоны, два или три, распадаются, атомы остаются на месте в пределах облака, а фотоны продолжают двигаться, пребывая в связанном состоянии. И поскольку такие фотоны запутаны на квантовом уровне, они предоставляют возможность для их использования в технологиях квантовых вычислений.

Сейчас ученые наблюдают то, что взаимодействующие фотоны как бы притягиваются друг к другу. Но в дальнейшем будут проведены эксперименты, в которых ученые хотят добиться обратного – чтобы взаимодействующие связанные фотоны начали отталкивать друг друга. “Все это является абсолютно новым и мы даже не знаем чего ожидать в будущем даже с теоретической точки зрения” – рассказывает Вулетик, – “Вполне вероятно, что фотоны, отталкивающие друг друга сформируют какой-то регулярный образ, своего рода “световой кристалл””.

Для любознательных

Новое состояние света, при котором фотоны объединяются в группы, взаимодействуют друг с другом, замедляются и приобретают массу, открывает широкие перспективы в нескольких ключевых областях. Это достижение физиков из MIT и Гарварда, которые в экспериментах заставили фотоны вести себя как квазичастицы (поляритоны) в среде из охлаждённых атомов рубидия, может стать основой для прорывных технологий.dzen.ru

Квантовые вычисления

Главное преимущество — возможность использовать такие «связанные» фотоны для передачи и обработки квантовой информации. В обычных условиях фотоны почти не взаимодействуют и проходят друг сквозь друга. Но в новом состоянии они запутаны и способны влиять друг на друга. Это позволяет создавать квантовые каналы связи с высокой степенью защиты, которые потенциально превосходят классические системы по скорости и устойчивости к взлому. Кроме того, такие состояния могут служить основой для квантовых процессоров, обеспечивая выполнение сложных вычислений на принципиально новом уровне.

Создание новых материалов с уникальными оптическими свойствами

Понимание механизма взаимодействия фотонов и их превращения в поляритоны может привести к разработке новых типов оптических материалов и устройств. Например, поляритонные лазеры могут оказаться более эффективными для передачи оптических сигналов по сравнению с традиционными. Также изучение таких состояний может помочь в создании материалов с заданными свойствами для фотонных кристаллов и других компонентов будущих оптических схем.

Замедление света и хранение информации

Замедление фотонов до скоростей в сотни тысяч раз ниже скорости света в вакууме — ключевой фактор для задач хранения и обработки информации. Когда свет проходит через специальную среду, его скорость снижается из-за взаимодействия с атомами материала. В новом состоянии, благодаря приобретённой массе и связанному состоянию, становится возможным более эффективное «впечатывание» квантовой информации в среду, её длительное хранение и последующая точная передача. Это критически важно для построения элементов памяти и логических элементов квантовых компьютеров.

Исследование фундаментальных вопросов

Эксперименты с таким светом позволяют физикам проверять теоретические модели, описывающие поведение материи и света на квантовом уровне. Например, учёные планируют исследовать, могут ли взаимодействующие фотоны не только притягиваться, но и отталкиваться друг от друга, что может привести к формированию новых структур, таких как «световой кристалл». Такие исследования углубляют наше понимание природы света и вещества.

Вывод

Таким образом, новое состояние света — это не просто экзотическое явление, а мощный инструмент для решения сложных задач в квантовых технологиях. Хотя до практического применения ещё далеко, полученные результаты уже дают учёным новые рычаги для прорывов в области квантовых вычислений и коммуникаций.