Квантовый пинг-понг в линзе рыбьего глаза: как два атома играют с одним фотоном и открывают новые горизонты для квантовой физики

Свет — это не только то, что позволяет нам видеть окружающий мир, но и мощный инструмент для изучения физических явлений на микроскопическом уровне. С помощью света можно взаимодействовать с атомами, молекулами и другими квантовыми объектами, создавая новые состояния материи и измеряя их свойства. Однако, чтобы добиться эффективного и контролируемого взаимодействия света и материи, необходимо уметь манипулировать световыми волнами и направлять их в нужные места.

Австрийские физики смогли теоретически продемонстрировать, что с помощью специальной линзы можно заставить два атома передавать друг другу один и тот же фотон — квант света — с высокой точностью, как будто они играют в настольный теннис. Этот эффект может быть использован для создания новых квантовых систем управления и изучения эффектов при чрезвычайно сильном взаимодействии света и материи.

Свободный свет и свет в линзе

Когда атом поглощает или излучает свет, он делает это в случайном направлении. Это означает, что если мы хотим, чтобы один атом поймал фотон, излученный другим атомом, нам придется рассчитывать на удачу. Вероятность того, что это произойдет, очень мала, так как фотон распространяется как волна, которая охватывает все возможные направления.

Однако, если мы поместим атомы в закрытую среду, где свет может быть отражен от стенок, ситуация изменится. Тогда мы можем подобрать такую форму среды, чтобы световые волны, исходящие от одного атома, всегда достигали другого атома после отражения. Примером такой среды может быть шепчущая галерея, где звуковые волны отражаются таким образом, что два человека, стоящие в фокусных точках эллипса, могут слышать друг друга отлично, даже если они шепчут.

Но есть и более эффективный способ управлять световыми волнами, который основан на концепции линзы «рыбий глаз», которую предложил Джеймс Клерк Максвелл — основоположник классической электродинамики. Эта линза имеет такую особенность, что ее показатель преломления меняется в зависимости от расстояния до центра линзы. Благодаря этому световые лучи изгибаются в линзе и направляются к ее краю, где они отражаются и снова изгибаются к центру. Таким образом, если мы поместим два атома в центр линзы, то второй будет получать все фотоны, которые излучил первый, и наоборот, как будто они играют в настольный теннис.

Световые гармоники и квантовый пинг-понг

Конечно, световое поле в линзе не состоит из одной волны, а из множества волн с разными частотами и амплитудами, которые называются модами. Это напоминает игру на музыкальном инструменте, где одновременно звучат разные гармоники. Австрийские физики показали, что можно подобрать такие параметры линзы и атомов, чтобы они взаимодействовали только с одной модой, которая соответствует частоте излучения атомов. Тогда фотон, излученный одним атомом, будет поглощен другим атомом почти наверняка, а затем снова излучен и возвращен к первому атому — и так далее.

Этот процесс можно представить как квантовый пинг-понг, где фотон служит в качестве мячика, а атомы — в качестве ракеток. Каждый раз, когда атом поглощает фотон, он переходит в состояние повышенной энергии, а когда излучает — возвращается в исходное состояние. Таким образом, атомы постоянно обмениваются энергией и информацией через фотон, который служит связующим звеном между ними.

Перспективы и применения

Этот эффект был продемонстрирован теоретически, но его можно проверить и на практике с помощью современной технологии. Для этого нужно создать линзу «рыбий глаз» Максвелла из материала с переменным показателем преломления, и поместить в нее два атома или две группы атомов, которые будут излучать и поглощать свет на одной и той же частоте. Такая система может быть использована для изучения эффектов при чрезвычайно сильном взаимодействии света и материи, которые могут привести к новым квантовым явлениям, таким как сверхпроводимость, сверхтекучесть или квантовая запутанность.

Кроме того, такая система может быть интересной точкой отсчета для квантовых систем управления, которые могут использовать фотоны для передачи и обработки информации. Например, можно создать квантовый переключатель, который будет менять состояние в зависимости от того, какой атом излучает фотон, или квантовый логический элемент, который будет выполнять определенные операции над квантовыми битами, представленными состояниями атомов. Таким образом, квантовый пинг-понг может стать основой для развития квантовой технологии и квантовой информатики в будущем.