Квантовый хоровод фотонов: ученые создали «суператом» из света в кольцевой ловушке

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В мире низких температур, где материя ведет себя по законам квантовой механики, возникают удивительные явления, связанные с коллективным поведением частиц. Одним из таких феноменов является конденсат Бозе-Эйнштейна (бозе-конденсат, КБЭ), при которой множество частиц, подчиняющихся статистике Бозе, сливаются в единое квантовое состояние, как будто становясь одним гигантским атомом. Долгое время считалось, что бозе-конденсат — это удел атомов и других массивных частиц. Однако последние достижения в области квантовой оптики показали, что и свет, будучи коллекцией безмассовых фотонов, может проявлять свойства бозонов и образовывать конденсат.

В лаборатории прикладной физики Боннского университета ученые добились значительного прорыва в этой области, экспериментально продемонстрировав КБЭ фотонов в сложной системе — квантовом кольце, состоящем из четырех связанных узлов. Этот результат открывает новые возможности для изучения фундаментальных свойств света и создания квантовых устройств нового поколения.

КБЭ, иллюстрация
КБЭ, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Квантовый лабиринт для света

В основе эксперимента лежит оптический микрорезонатор, заполненный раствором красителя. Фотоны, заключенные между двумя зеркалами, многократно поглощаются и испускаются молекулами красителя, что приводит к их тепловому равновесию с окружающей средой — в данном случае, комнатной температурой. Одно из зеркал имеет микроструктуру, которая формирует для фотонов своеобразный лабиринт — кольцеобразный потенциал с четырьмя энергетически выгодными узлами. Фотоны, подобно атомам в оптической решетке, могут туннелировать между узлами, что приводит к квантовому перемешиванию их состояний.

Переход в коллективное состояние

При достижении критического числа фотонов в системе происходит фазовый переход — КБЭ. Фотоны, словно следуя негласному соглашению, начинают занимать самое низкоэнергетическое состояние кольца — симметричную суперпозицию четырех узловых волновых функций. Это состояние характеризуется нулевой «намоткой фазы», то есть при движении по кольцу фаза волновой функции не изменяется. Возникает макроскопическое квантовое состояние, в котором фотоны делокализованы по всему кольцу и демонстрируют когерентность — фиксированное соотношение фаз между различными узлами.

Эксперимент, иллюстрация
Эксперимент, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Доказательства когерентности

Чтобы подтвердить когерентность фотонного конденсата, ученые использовали оптическую интерферометрию. Свет, выходящий из резонатора, был разделен на четыре луча, которые затем были сведены вместе с небольшим пространственным смещением. В результате интерференции возникла характерная картина из светлых и темных полос, свидетельствующая о наличии стабильного фазового соотношения между фотонами, испущенными из разных узлов кольца.

Важность

Результаты этого эксперимента имеют большое значение для развития квантовой оптики и квантовых технологий. Созданная платформа открывает возможности для изучения квантовых явлений многих тел, проектирования новых типов лазеров и сенсоров, а также для реализации квантовых симуляторов — устройств, способных моделировать сложные квантовые системы, недоступные для прямого исследования.

В частности, дальнейшие исследования будут направлены на изучение бозе-конденсата фотонов в решетках с взаимодействующими узлами, что позволит создавать запутанные многочастичные состояния. Другой перспективной областью является исследование топологических состояний света, которые могут найти применение в квантовых вычислениях и коммуникациях.

1 комментарий

eb99efb5cdf16fbed7f645592cbf594f@livejournal
Зачем какие-то сложные опыты ставить? Самые обычные радиоволны — пример того же самого конденсата, только фотонов с более низкой энергией (большей длиной волны).

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Бобров переселили спасать реки от засухи, но они разбежались: учёные выяснили почему

Американские учёные переселили 47 бобров в засушливый штат Юта, рассчитывая, что животные построят плотины и помогут восстановить обмелевшие реки. Однако через восемь недель на исследуемых участках...

Обзор Kingbolen Ediag Link 2026: ошибки, датчики, активные тесты и сервисные функции

Обычный ELM327 поможет прочитать ошибки двигателя, но для диагностики ABS, подушек безопасности, кузовной электроники или выполнения сервисных операций его возможностей часто недостаточно....

Игра «найди лишнее» помогла ученым увидеть мир глазами обезьян — и он оказался совсем не похож на наш

Большая часть того, что наука знает об устройстве человеческого зрения, открыта в опытах на макаках.Глаза и зрительные центры мозга у этих обезьян устроены почти так же, как у нас. У человека...

Нужно ли вытаскивать чёрную жилку из каждой креветки — или это лишняя работа

Перед приготовлением креветок многие стараются удалить тёмную полоску вдоль спинки. Одни считают её грязью, другие опасаются, что из-за неё можно отравиться, а третьи вообще не обращают на неё...

«Электроники‑311‑стерео»: советский «чемоданчик» с колонками по сходной цене

Самое любопытное в истории этого кассетника — его японские корни: двигатель и головки от компании Sony. А точнее — плеера TCS-310. И это, по моему мнению, ключевой момент. Как...

✦ ИИ  Медь сдалась: как кремниевая фотоника и Co-Packaged Optics спасут ИИ-кластеры от энергетического коллапса

Когда мы обсуждаем новые поколения ИИ-ускорителей (уровня NVIDIA Rubin или их аналогов от AMD/Intel), фокус внимания традиционно смещен на техпроцессы, HBM-память и гигантское TDP. Однако за...