До середины 20-х гг.й века свет был довольно обычным. Да, это была и частица, и волна, но ничего странного она не делала. Затем ученые, у которых после окончания Второй мировой войны не было работы, начали уделять больше внимания свойствам света. Частично это было вызвано наличием излишков прожекторов, которые можно было превратить в дешевые матрицы детекторов света для измерения свойств звезд.
Это положило начало фотонной золотой лихорадке, когда ученые выявили всевозможные интересные потенциальные варианты поведения. Но на самом деле их наблюдение потребовало бы наличия особых источников света, которых не существовало. Теперь учёные доказали что наше собственное Солнце может быть превращен в один из таких источников света.
Стадо одинаковых фотонов
Когда два фотона неразличимы, их можно заставить проделывать неожиданные трюки. На диаграмме ниже показан пример: два одинаковых фотона одновременно попадают в частично отражающее зеркало. Мы не можем предсказать, куда они пойдут, но где бы это ни было, они идут вместе. Если бы мир был классическим, мы бы ожидали, что каждый будет вести себя независимо, и в половине случаев они бы выбирали разные направления. Но мы находимся в квантовом мире, поэтому этого не происходит.
Крис Ли
Этот тип интерференции может работать только с идентичными фотонами, и здесь на помощь приходят специальные источники света. Фотоны можно отличить по цвету (длине волны), чистоте этого цвета (или, более технически, когерентности). ориентация их осциллирующего электрического поля (известного как поляризация), их пространственная форма и их прибытие. время. Действительно, создание идентичных фотонов исторически было настолько трудным, что ради их создания приносились в жертву целые лабораторные установки и аспиранты.
Но это были одиночные устройства, которые по своей конструкции не могли делать ничего, кроме генерации пар одинаковых фотонов. Могут ли два независимых устройства излучать одиночные фотоны, идентичные друг другу?
Развитие квантовых точек сделало это возможным. Квантовые точки — это то, что написано на упаковке: крошечные точки материала, которые создают квантовое поведение, удерживая один электрон. Удержание ограничивает электроны определенными энергиями; когда электрон избавляется от энергии, он делает это, испуская фотон.
Ученые-материалисты придумали, как сделать эти точки так, чтобы все они были практически одинаковыми, а это означает, что цвет испускаемого фотона был одинаковым. Мы также знаем, как разместить их в среде, которая побуждает их иметь ту же чистоту, пространственную форму и поляризацию. Эксперименты показали, что две квантовые точки действительно могут излучать одинаковые фотоны.
Однако это еще не совсем решает проблему. По сути, мы сделали две копии одного и того же устройства и тщательно контролировали окружающую среду, чтобы гарантировать, что они естественным образом будут производить идентичные фотоны. А как насчет чего-то, что находится вне нашего контроля, например Солнца?
Выделение одинаковых фотонов из смешанного стада
Именно это и проверила группа исследователей. Они использовали устройство слежения для непрерывного улавливания света от Солнца. Этот свет был отфильтрован, чтобы гарантировать сохранение только фотонов нужного цвета, чистоты, пространственной формы и поляризации. Затем они были отправлены в частично отражающее зеркало вместе со светом квантовой точки.
Но время также имеет решающее значение, поскольку эксперимент требует, чтобы только один фотон Солнца попадал в частично отражающее зеркало в то же время, когда прибывает фотон из квантовой точки. Солнце испускает фотоны в случайные моменты времени, но фотонов так много, что их всегда больше одного, в то время как квантовая точка испускает фотон только каждые 10 нс или около того.
Чтобы преодолеть временной барьер, исследователи выбрасывали фотоны от Солнца до тех пор, пока средняя скорость фотонов не стала примерно такой же, как у квантовой точки. Затем детекторы включались только через определенные промежутки времени, эффективно выбирая только регистрацию фотонов, прибывающих вместе с фотоном из квантовой точки.
В этих условиях результат оказался точно таким, как предсказывалось для неразличимых фотонов. Ну, почти. Квантовая точка не идеальна, поэтому иногда она излучает два фотона вместо одного. И поток фотонов от Солнца также иногда будет содержать два фотона, а это означает, что исследователи не видят идеальной интерференции.
Но это довольно близко. Фактически, их результаты были настолько хороши, что они пошли еще дальше, показав, что могут запутывать фотоны Солнца с фотонами квантовой точки.
С одной стороны, это довольно обыденно: квантовая механика предсказывает, что идентичные фотоны будут вести себя определенным образом. Этот эксперимент эффективно берет бесчисленное количество фотонов Солнца и отбирает только те, которые идентичны фотонам квантовой точки. Другого результата мы и не ожидаем.
С другой стороны, это все еще невероятно. Мысль о том, что теперь у нас есть технология, позволяющая взять любую старую лампочку и превратить ее в квантовый ресурс, просто поразительна. Исследователи также утверждают, что квантовые свойства одиночных фотонов Солнца можно использовать, чтобы пролить свет на солнечные процессы, такие как поведение магнитного поля. Это может быть более интересно, чем любое технологическое применение.
Письма о физических обзорах, 2019 г., DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.080401 (О DOI)
