Фотоните кръстосаха светлинни мечове, но Силата не беше с тях

Учени начело с Михаил Лукин от Харвардския университет и Владан Вулетич от Масачузетския технологичен институт свързаха фотони в нещо като молекули и нарекоха това „ново състояние на материята”.

Досега подобно нещо съществуваше чисто теоретично.

Лукин и сие създали нещо, което противоречи на статуса на фотоните като частици без маса, които не взаимодействат една с друга. Ако насочите един лъч срещу друг, те просто ще се разминат. Именно затова джедайските мечове от „Междузвездни войни” са невъзможни на практика – както не може да се кръстосат шпаги от сянка.

Тоест не можеше.

„Създадохме особен вид среда, в която фотоните си взаимодействат толкова силно, че се държат сякаш имат маса, при което между тях се появява връзка, позволяваща да се формират „молекули”, пояснява Михаил Лукин. Теоретично възможността за подобно нещо е съществувала, но на практика никой досега не я е постигал.

„Аналогията със светлинните мечове няма да е неуместна – продължава ученият. – Когато такива фотони взаимодействат, те се отблъскват, оказвайки съпротивление един на друг. Физиката на случващото се с подобни молекули е сходна на тази, която наблюдаваме в киното.”

В създаването на фотонните молекули и по-точно на средата за тяхното формиране, уви, Силата не била с учените. Наложило им се да проведат сложен експеримент с точни изчисления, но с поразителни резултати.

За да постигнат това рубидиеви атоми били впръскани във вакуумна камера, където техният облак бил охладен до температура малко над абсолютната нула. След това със слаби лазерни импулси в облака били изпращани единични фотони. При сблъсък със студените атоми фотонът бил принуден да отдава енергия, да я губи и накрая рязко да се забавя. С придвижването на фотона през облака неговата енергия се предава от атом на атом и накрая същият фотон напуска облака.

На изхода фотонът изглежда като на входа. Нещо подобно може да се наблюдава с пречупена светлина в чаша вода. На светлината, влизаща в чашата, се „отнема” част от енергията, а след излизането й тя се „връща”. Разликата е само в това, че средата от студени рубидиеви атоми отнема доста повече енергия.

Като стигнали до този етап, физиците опитали да изстрелят в облака два фотона наведнъж. Резултатът бил, че и двата излезли заедно, като една молекула. Защо? Тук сработил механизмът на Ридбергова блокада. Когато единият атом е възбуден, близкият до него не може да бъде възбуден в същата степен. Когато фотонът влиза в облака, той активира атома, но трябва да мине напред, преди вторият фотон да възбуди втория атом. Тъй като енергията на фотон 1 се предава от атом на атом, буквално като в щафета, той и фотон 2 през цялото време са принудени да се движат заедно, в тясно взаимодействие.

Експериментът показал, че в специфична среда фотоните демонстрират взаимодействие.
© Nature

„Това е фотонно взаимодействие, което се реализира с помощта на атомното взаимодействие – разказва Лукин. – То кара двойката фотони да се държат подобно на молекула и след това, когато напуснат средата, е доста по-вероятно да го направят заедно, а не във вид на отделни частици.”

Авторите признават, че провели експеримента повече за забавление, за да проверят фундаменталните граници на науката. Откритието им обаче може да има множество практически приложения.

Например фотоните са оптимален носител на квантова информация, ако не беше едно „но”, тъй като „пречка по пътя към това беше, че фотоните не взаимодействат един с друг”. И наистина – кое квантово заплитане може да се реализира без взаимодействие? И как квантовият компютър ще обработва самотни кванти?

За да се построи квантов компютър, е необходимо да се създаде система, която да съхранява единиците квантова информация и да я обработва с квантови логически операции.

„Нашият експеримент доказва, че това е възможно. Но преди да се заемем със създаването на квантово превключване или фотонен логически вентил, е необходимо да подобрим производителността на фотонните молекули”, казва Лукин. По такъв начин сегашният резултат е само доказателство за работата на концепцията на практика.

Откритието на физиците ще бъде полезно и в производството на класически компютри и изчислителни машини. То ще помогне да се решат редица проблеми, свързани със загубата на мощност, с която се сблъскват производителите на компютърни чипове.

Ако говорим за далечното бъдеще, то някой ден последователите на Лукин вероятно ще успеят да създадат триизмерна структура от рода на кристала, състояща се изцяло от светлина.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Nature.

Източник: Phys.Org