Фотоны сталкиваются и... танцуют? Открытие вихрей в квантовом мире

В мире микроскопических частиц свет может вести себя самым неожиданным образом. Недавно ученым удалось заставить фотоны, кванты света, не просто взаимодействовать друг с другом, но и создавать удивительные топологические структуры — квантовые вихри. Это открытие открывает новые горизонты в понимании квантовой физики и создает почву для революционных технологий будущего.

В обычных условиях фотоны практически не взаимодействуют между собой. Их взаимодействие опосредуется веществом, но в традиционных оптических средах оно настолько слабо, что не оказывает заметного влияния на отдельные кванты света. Однако в квантовой нелинейной оптике, особенно в специально разработанных системах, взаимодействие фотонов с веществом становится настолько сильным, что один фотон может значительно изменять оптические свойства среды и влиять на другие фотоны.

Рождение вихря из взаимодействия

В новом исследовании, проведенном в Институте Вейцмана (Израиль), ученые использовали облако ультрахолодных атомов рубидия, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, для создания среды с экстремальной квантовой нелинейностью. Пропуская через эту среду лазерные импульсы, содержащие всего несколько фотонов, ученые стали свидетелями рождения квантовых вихрей — сингулярностей фазы волновой функции, описывающей состояние фотонов.

Образование вихрей обусловлено эффектом, называемым «блокадой Ридберга». При возбуждении атома рубидия до высоковозбужденного ридберговского состояния, он начинает взаимодействовать с соседними атомами, блокируя их возбуждение на определенном расстоянии, называемом радиусом блокады. В результате, два фотона, распространяющиеся на расстоянии меньше радиуса блокады, испытывают локальное изменение показателя преломления, что приводит к накоплению фазы в их волновой функции. Подобно тому, как пластина, движущаяся в воде, создает пару вихрей, локальное накопление фазы порождает пару квантовый вихрь-антивихрь в двухфотонной волновой функции.

Визуализация танца фотонов

Наблюдать квантовые вихри напрямую внутри среды невозможно. Однако ученые разработали остроумный метод их регистрации на выходе из среды, измеряя зависимость фазы и корреляции между фотонами от оптической плотности облака атомов. Увеличение оптической плотности эквивалентно увеличению времени взаимодействия между фотонами. Измеряя двухфотонную корреляционную функцию и условную фазу выходящего излучения при различных плотностях, ученые смогли реконструировать динамику формирования вихрей внутри среды.

От парного танца к сложному узору

Исследователи пошли еще дальше, изучая взаимодействие не двух, а трех фотонов. В этом случае квантовые вихри, порождаемые парами фотонов, образуют сложную трехмерную структуру, напоминающую шесть вихревых линий, сходящихся в центре, и дополнительное вихревое кольцо, окружающее центральную область.

Появление вихревого кольца свидетельствует о наличии трехфотонного взаимодействия, которое нельзя свести к простой сумме парных взаимодействий. Физическая природа этого взаимодействия обусловлена насыщением блокады Ридберга: один фотон может блокировать взаимодействие двух (или более) других фотонов.

Квантовая хореография для технологий будущего

Открытие квантовых вихрей света имеет фундаментальное значение для понимания квантовой физики многих тел и открывает новые горизонты для квантовых технологий.

Например, управление фазой многофотонных состояний с помощью квантовых вихрей может лечь в основу новых методов квантовой обработки информации, включая создание детерминированных квантовых логических вентилей, работающих с тремя и более фотонами.

Дальнейшие исследования в этой области могут привести к созданию новых инструментов управления квантовыми системами и разработке революционных технологий, основанных на уникальных свойствах квантового света. Представьте себе квантовые компьютеры, использующие сложные танцы фотонов для выполнения вычислений, недоступных для классических компьютеров, или сверхчувствительные квантовые сенсоры, регистрирующие малейшие изменения в окружающей среде.

Исследование квантовых вихрей света — это захватывающее путешествие в неизведанный мир квантового мира, которое обещает привести к революционным открытиям и технологиям будущего.

Если фотоны не имеют массы, как они могут «отталкиваться» друг от друга, формируя вихревые структуры? Ведь законы классической механики не работают в квантовом мире

Действительно, фотоны не обладают массой в привычном нам понимании. Однако, они являются носителями энергии и импульса. Взаимодействие фотонов в ридберговской блокаде происходит не через прямое «отталкивание», а посредством изменения энергетических уровней атомов. В области блокады изменяется показатель преломления среды для фотонов, и они начинают распространяться так, как если бы на них действовала некая сила, формирующая вихревые структуры.

Хорошо, допустим, вихри сформировались. Но ведь они существуют в микроскопическом мире квантовых частиц. Как ученые могут утверждать, что они действительно наблюдали эти вихри, а не просто интерпретировали данные измерений в рамках своей теории?

Ученые не могут «увидеть» квантовые вихри непосредственно. Вместо этого они разрабатывают модели, которые предсказывают определенные экспериментальные результаты, если их теория верна. В данном случае, исследователи измерили корреляцию и фазу фотонов на выходе из атомного облака и показали, что полученные данные полностью соответствуют теоретическим расчетам, основанным на модели квантовых вихрей. Это и является косвенным, но весьма убедительным доказательством существования квантовых вихрей.