Это проблеск научной фантастики, созданной фактом: ученые создали новую форму света, которую когда-нибудь можно будет использовать для создания легких кристаллов. Но прежде чем потенциальные джедаи начнут требовать своих сабель, прогресс, скорее всего, приведет к интригующим новым способам общения и вычислений, сообщают исследователи на этой неделе в Science .
Свет состоит из фотонов - быстрых, крошечных пакетов энергии. Как правило, фотоны вообще не взаимодействуют друг с другом, поэтому при использовании фонариков «вы не видите, как лучи света отражаются друг от друга, вы видите, как они проходят друг через друга», - объясняет доктор философии Серджо Канту. кандидат в области атомной физики в Массачусетском технологическом институте. В новых экспериментах, однако, физики уговаривали отдельные фотоны соединяться друг с другом и связываться, подобно тому, как отдельные атомы слипаются в молекулах.
Танец фотонов происходит в лаборатории MIT, где физики проводят настольные эксперименты с лазерами. Канту, его коллега Адитья Венкатрамани, доктор философии Кандидат в атомные физики в Гарвардском университете, и их сотрудники начинают с создания облака охлажденных атомов рубидия. Рубидий является щелочным металлом, поэтому он обычно выглядит как серебристо-белое твердое вещество. Но испарение рубидия лазером и сохранение его ультрахолодным создает облако, которое исследователи содержат в маленькой трубке и намагничивают. Это сохраняет атомы рубидия диффузными, медленно движущимися и находящимися в очень возбужденном состоянии.
Затем команда запускает слабый лазер в облако. Лазер настолько слаб, что всего лишь несколько фотонов попадают в облако, объясняется в пресс-релизе MIT. Физики измеряют фотоны, когда они выходят с другой стороны облака, и тогда все становится странным.
Обычно фотоны движутся со скоростью света - или почти 300 000 километров в секунду. Но проходя сквозь облако, фотоны ползут вдоль в 100 000 раз медленнее, чем обычно. Кроме того, вместо случайного выхода из облака, фотоны проходят парами или тройками. Эти пары и триплеты также испускают другую энергетическую сигнатуру, фазовый сдвиг, который говорит исследователям, что фотоны взаимодействуют.
«Изначально это было неясно», - говорит Венкатрамани. Команда уже видела взаимодействие двух фотонов, но они не знали, возможны ли триплеты. В конце концов, объясняет он, молекула водорода представляет собой устойчивое расположение двух атомов водорода, но три атома водорода не могут оставаться вместе дольше одной миллионной секунды. «Мы не были уверены, что три фотона будут стабильной молекулой или чем-то, что мы могли бы даже увидеть», - говорит он.
Удивительно, но исследователи обнаружили, что трехфотонная группировка еще более стабильна, чем две. «Чем больше вы добавляете, тем сильнее они связаны», - говорит Венкатрамани.
Но как фотоны собираются вместе? Теоретическая модель физиков предполагает, что когда один фотон движется через облако рубидия, он прыгает от одного атома к другому, «как пчела, мчащаяся между цветами», объясняется в пресс-релизе. Один фотон может кратковременно связываться с атомом, образуя гибридный фотон-атом или поляритон. Если два из этих поляритонов встречаются в облаке, они взаимодействуют. Когда они достигают края облака, атомы остаются позади, а фотоны плывут вперед, все еще связанные друг с другом. Добавьте больше фотонов, и то же самое явление порождает триплеты.
«Теперь, когда мы понимаем, что делает взаимодействие привлекательным, вы можете спросить: можете ли вы заставить их отталкиваться друг от друга?» говорит канту. По сути, игра с взаимодействием может открыть новое понимание того, как энергия работает или откуда она берется, говорит он.
В целях технического прогресса фотоны, связанные таким образом, могут нести информацию - качество, которое полезно для квантовых вычислений. А квантовые вычисления могут привести к непробиваемым кодам, сверхточным часам, невероятно мощным компьютерам и многому другому. В кодировании информации в фотонах такая привлекательность заключается в том, что фотоны могут очень быстро переносить свою информацию на расстояния. Фотоны уже ускоряют нашу связь по оптоволоконным линиям. Связанные или запутанные фотоны могут передавать сложную квантовую информацию практически мгновенно.
Команда предполагает контролировать привлекательные и отталкивающие взаимодействия фотонов так точно, чтобы они могли упорядочить фотоны в предсказуемых структурах, которые держатся вместе, как кристаллы. Некоторые фотоны отталкивают друг друга, отталкивая друг от друга, пока не найдут свое собственное пространство, в то время как другие удерживают большее образование и удерживают отталкивающие от рассеяния. Их узорчатое расположение было бы светлым кристаллом. В световом кристалле «если вы знаете, где находится один фотон, то вы знаете, где другие находятся за ним с равными интервалами», - говорит Венкатрамани. «Это может быть очень полезно, если вы хотите иметь квантовую связь через регулярные промежутки времени».
Будущее, которое могли бы обеспечить такие кристаллы, может показаться более туманным, чем то, в котором люди сражаются с помощью световых мечей, но оно может держать достижения еще более впечатляющими и невиданными.
Примечание редактора: эта история была исправлена, чтобы отразить, что фотоны, а не атомы, входят в облако рубидия, и их скорость замедляется при прохождении.
