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

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.

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.

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.