|
Квантовая интерференция света. Обнаружено аномальное явление
|
|
|
|
Три исследователя из Свободного университета Брюсселя, Бельгия, обнаружили контринтуитивный аспект физики фотонной интерференции. В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Nature Photonics, они предложили мысленный эксперимент, который полностью противоречит общепринятым представлениям о так называемом свойстве фотонов группироваться. Наблюдение этого аномального эффекта группирования кажется доступным для современных фотонных технологий и, если оно будет достигнуто, сильно повлияет на наше понимание многочастичных квантовых интерференций. Одним из краеугольных камней квантовой физики является принцип дополнительности Нильса Бора, который, грубо говоря, утверждает, что объекты могут вести себя либо как частицы, либо как волны. Эти два взаимоисключающих описания хорошо иллюстрируются культовым экспериментом с двумя щелями, в котором частицы ударяются о пластину с двумя щелями.
|
|
|
|
Если не наблюдать за траекторией каждой частицы, то при сборе частиц после прохождения через щели наблюдаются волнообразные интерференционные полосы. Но если наблюдать за траекториями, то полосы исчезают, и все происходит так, как если бы мы имели дело с частицеподобными шарами в классическом мире. Как было предложено физиком Ричардом Фейнманом, интерференционные полосы возникают из-за отсутствия информации о том, «какой путь», так что полосы обязательно должны исчезнуть, как только эксперимент позволит нам узнать, что каждая частица выбрала тот или иной путь через левый или правый разрез. Свет не избегает этой двойственности: его можно либо описать как электромагнитную волну, либо понять, что он состоит из безмассовых частиц, движущихся со скоростью света, а именно фотонов. Это сопровождается еще одним замечательным явлением: группировкой фотонов. Грубо говоря, если нет способа различить фотоны и узнать, по какому пути они следуют в эксперименте с квантовой интерференцией, то они имеют тенденцию слипаться.
|
|
|
Такое поведение уже можно наблюдать с двумя фотонами, падающими каждый на сторону полупрозрачного зеркала, которое разделяет входящий свет на два возможных пути, связанных с отраженным и прошедшим светом. Действительно, знаменитый эффект Хонга-Оу-Манделя говорит нам, что два вылетающих фотона всегда выходят вместе с одной и той же стороны зеркала, что является следствием волнообразной интерференции между их путями. Этот эффект группировки нельзя понять в рамках классического мировоззрения, в котором мы думаем о фотонах как о классических шарах, каждый из которых движется по четко определенному пути. Таким образом, логически ожидается, что группирование станет менее выраженным, как только мы сможем различать фотоны и проследить, по каким путям они прошли. Именно это и наблюдается экспериментально, если два фотона, падающих на полупрозрачное зеркало, имеют, например, различную поляризацию или разные цвета: они ведут себя как классические шары и больше не собираются в кучу. Обычно считается, что это взаимодействие между группировкой фотонов и различимостью отражает общее правило: группировка должна быть максимальной для полностью неразличимых фотонов и постепенно уменьшаться, когда фотоны становятся все более различимыми.
|
|
|
|
Несмотря ни на что, это распространенное предположение недавно было опровергнуто группой из Центра квантовой информации и коммуникаций при Политехнической школе Брюсселя, Свободный университет Брюсселя, возглавляемой профессором Николасом Серфом при содействии его доктора философии. студент Бенуа Серон и его постдоктор, доктор Леонардо Ново, в настоящее время штатный научный сотрудник Международной иберийской лаборатории нанотехнологий, Португалия. Они рассмотрели конкретный теоретический сценарий, в котором семь фотонов сталкиваются с большим интерферометром, и исследовали случаи, когда все фотоны объединяются в два выходных пути интерферометра. Логически группирование должно быть самым сильным, когда все семь фотонов допускают одинаковую поляризацию, поскольку это делает их полностью неразличимыми, а это означает, что мы не получаем информации об их путях в интерферометре. Совершенно неожиданно исследователи обнаружили существование некоторых случаев, когда группирование фотонов существенно усиливается, а не ослабевает, благодаря тому, что фотоны частично различимы благодаря хорошо выбранной схеме поляризации.
|
|
|
|
Бельгийская команда воспользовалась связью между физикой квантовых интерференций и математической теорией перманентов. Используя недавно опровергнутую гипотезу о матричных перманентах, они смогли доказать, что можно еще больше усилить группировку фотонов путем точной настройки поляризации фотонов. Помимо интереса к фундаментальной физике фотонной интерференции, это аномальное явление группирования должно иметь последствия для квантово-фотонных технологий, которые в последние годы показали быстрый прогресс. Эксперименты, направленные на создание оптического квантового компьютера, достигли беспрецедентного уровня контроля, когда можно создавать множество фотонов, интерферировать через сложные оптические схемы и подсчитывать с помощью детекторов, разрешающих число фотонов. Таким образом, понимание тонкостей группирования фотонов, которое связано с квантовой бозонной природой фотонов, является важным шагом в этой перспективе.
|
|
|
|
Источник
|
