To przebłysk science fiction: naukowcy stworzyli nową formę światła, która kiedyś może zostać wykorzystana do budowy lekkich kryształów. Ale zanim niedoszli Jedi zaczną domagać się szabli, postępy są znacznie bardziej prawdopodobne, że doprowadzą do intrygujących nowych sposobów komunikowania się i korzystania z komputerów - twierdzą naukowcy w tym tygodniu w Science .
Światło składa się z fotonów - szybkich, małych pakietów energii. Zazwyczaj fotony w ogóle nie wchodzą ze sobą w interakcje, dlatego podczas korzystania z latarek „nie widać odbijania wiązek światła, widać, że przechodzą przez siebie”, wyjaśnia dr Sergio Cantu. kandydat z fizyki atomowej w Massachusetts Institute of Technology. Jednak w nowych eksperymentach fizycy namówili pojedyncze fotony do przytulenia się i połączenia, podobnie do sposobu, w jaki poszczególne atomy sklejają się w cząsteczkach.
Taniec fotonowy odbywa się w laboratorium na MIT, gdzie fizycy przeprowadzają eksperymenty na stołach z laserami. Cantu, jego kolega, dr Aditya Venkatramani kandydat do fizyki atomowej na Uniwersytecie Harvarda, a ich współpracownicy zaczynają od stworzenia chmury schłodzonych atomów rubidu. Rubid jest metalem alkalicznym, więc zazwyczaj wygląda jak srebrno-biała substancja stała. Ale odparowanie rubidu za pomocą lasera i utrzymanie go na bardzo niskim poziomie tworzy chmurę, którą badacze zawierają w małej tubce i magnesuje. Dzięki temu atomy rubidu są rozproszone, wolno się poruszają i są w stanie bardzo podekscytowanym.
Następnie zespół strzela słabym laserem w chmurę. Laser jest tak słaby, że zaledwie kilka fotonów wchodzi do chmury, wyjaśnia komunikat prasowy MIT. Fizycy mierzą fotony, gdy opuszczają drugą stronę chmury i wtedy dzieje się dziwnie.
Normalnie fotony podróżowałyby z prędkością światła - lub prawie 300 000 kilometrów na sekundę. Ale podczas przechodzenia przez chmurę fotony pełzają 100 000 razy wolniej niż zwykle. Ponadto zamiast przypadkowo wychodzić z chmury, fotony przechodzą parami lub trojaczkami. Te pary i trojaczki wydzielają również inną sygnaturę energetyczną, przesunięcie fazowe, które mówi badaczom, że fotony oddziałują na siebie.
„Początkowo było niejasne”, mówi Venkatramani. Zespół widział wcześniej dwa interakcje fotonów, ale nie wiedzieli, czy trojaczki są możliwe. W końcu, wyjaśnia, cząsteczka wodoru jest stabilnym układem dwóch atomów wodoru, ale trzy atomy wodoru nie mogą pozostać razem dłużej niż milionowa część sekundy. „Nie byliśmy pewni, czy trzy fotony będą stabilną cząsteczką lub czymś, co moglibyśmy nawet zobaczyć” - mówi.
Niespodziewanie naukowcy odkryli, że grupowanie trzech fotonów jest jeszcze bardziej stabilne niż dwa. „Im więcej dodajesz, tym silniej są związani”, mówi Venkatramani.
Ale w jaki sposób fotony się łączą? Model teoretyczny fizyków sugeruje, że gdy pojedynczy foton przemieszcza się przez chmurę rubidu, przeskakuje z jednego atomu na drugi, „jak pszczoła przelatująca między kwiatami”, wyjaśnia komunikat prasowy. Jeden foton może krótko związać się z atomem, tworząc hybrydowy foton-atom lub polariton. Jeśli dwa z tych polarytonów spotkają się w chmurze, oddziałują na siebie. Gdy docierają do krawędzi chmury, atomy pozostają z tyłu, a fotony płyną do przodu, wciąż ze sobą powiązane. Dodaj więcej fotonów i to samo zjawisko daje początek trojaczkom.
„Teraz, gdy rozumiemy, co prowadzi do atrakcyjności interakcji, możesz zapytać: czy możesz zamiast tego zmusić się do odparcia?” mówi Cantu. Zasadniczo, granie w interakcję może ujawnić nowy wgląd w to, jak działa energia lub skąd pochodzi.
W celu postępu technologicznego fotony połączone w ten sposób mogą przenosić informacje - jakość przydatną w obliczeniach kwantowych. A obliczenia kwantowe mogą prowadzić do niepoprawnych kodów, ultra-precyzyjnych zegarów, niewiarygodnie wydajnych komputerów i nie tylko. Tym, co jest tak atrakcyjne w kodowaniu informacji w fotonach, jest to, że fotony mogą bardzo szybko przenosić swoje informacje na duże odległości. Już fotony przyspieszają naszą komunikację wzdłuż linii światłowodowych. Związane lub splątane fotony mogą niemal natychmiast przekazywać złożone informacje kwantowe.
Zespół przewiduje kontrolowanie atrakcyjnych i odpychających oddziaływań fotonów tak dokładnie, aby mogły ułożyć fotony w przewidywalnych strukturach, które utrzymują się razem jak kryształy. Niektóre fotony odpychałyby się od siebie, rozsuwając, aż znajdą własną przestrzeń, podczas gdy inne utrzymują większą formację i powstrzymują odpychające się przed rozproszeniem. Ich wzorzysty układ byłby lekkim kryształem. W jasnym krysztale „jeśli wiesz, gdzie jest jeden foton, to wiesz, gdzie stoją za nim inne, w równych odstępach”, mówi Venkatramani. „Może to być bardzo przydatne, jeśli chcesz mieć komunikację kwantową w regularnych odstępach czasu.”
Przyszłość, którą takie kryształy mogłyby umożliwić, może wydawać się bardziej mglista niż ta, w której ludzie walczą mieczami świetlnymi, ale może przynieść postępy jeszcze bardziej imponujące i jak dotąd nie do pomyślenia.
Notka redaktora: Ta historia została poprawiona, aby odzwierciedlić, że fotony, a nie atomy, wchodzą do chmury rubidu, a ich prędkość spada, gdy przechodzą.
