Фотоны являются одними из самых вездесущих, но одиноких частиц в квантовом мире - они всегда вокруг нас, но никогда не взаимодействуют друг с другом. Ученые из Массачусетского технологического института и Гарварда сумели совершить настоящий подвиг, наблюдая, как группы из трех фотонов взаимодействуют и склеиваются друг с другом, чтобы создать новую странную форму света. В настоящее время исследование является чисто экспериментальным, но может позволить исследователям смешивать фотоны, ключевую часть построения квантовых компьютеров.
Когда вы объединяете некоторые элементы вместе, например, водород или кислород, они могут связываться парами или даже втройне, образуя, например, O2 (кислород) или O3 (озон). Фотоны просто проходят друг через друга, как фантомы, и никакой реакции вообще нет. Это потому, что у них нет массы или заряда, хотя они могут сильно возбуждаться в виде рентгеновских лучей или гамма-лучей.
Чтобы собрать фотоны вместе, исследователи излучали очень слабый лазер через плотное облако атомов рубидия, охлажденное до температуры выше абсолютного нуля. Вместо того, чтобы выходить случайным образом по одному, как и следовало ожидать, они связаны друг с другом парами или тройками, создавая некоторую форму запутывания. Кроме того, как правило, массы без фотонов также приобрели некоторый вес - часть массы электрона, но это что-то.
Более крупные молекулы фотона, если хотите, были значительно менее проворными. Вместо того, чтобы двигаться на своей обычной скорости 186 000 миль в секунду, они двигались в 100 000 раз медленнее.
Как это произошло? Проходя через безликие атомы рубидия, фотоны передавали часть своей энергии. Однако из-за чего-то, называемого ридберговской блокадой, смежные атомы не могут возбуждаться так же сильно, а менее возбужденный атом и фотон образуют гибрид, называемый «поляритоном». По мере того, как фотоны пропускали между поляритонами, они взаимодействовали друг с другом так, как обычно, и некоторые из них все еще склеивались, когда они выходили из облака. Это происходило медленно в квантовом масштабе, примерно в миллионной доли секунды от входа до выхода.
У ученых нет фотоснимков в первый раз; некоторым из той же команды удалось собрать пары фотонов в 2013 году. Новое открытие, однако, отмечает, что три фотона были вынуждены взаимодействовать.
Исследование не просто интересно физикам частиц, но оно может в конечном итоге проложить путь к новым типам квантовых компьютеров, используемых для взлома криптографических кодов и решения сложных уравнений. Тройные фотоны по существу запутаны, поэтому их можно использовать в процессорах «qubit» или для передачи информации на большие расстояния. Наличие нескольких фотонов, запутанных, позволит использовать более мощные системы. «Взаимодействие отдельных фотонов было мечтой на протяжении десятилетий», - сказал ведущий автор и профессор Массачусетского технологического института Владан Волетик.
