Квантовий пінг-понг: нова ера контролю атомних фотонів

Вчені розробили «квантовий пінг-понг»: за допомогою спеціальної лінзи можна змусити два атоми відбивати один фотон туди-сюди з високою точністю. Атоми можуть поглинати і перевипромінювати світло — це повсякденне явище. У більшості випадків, однак, атом випромінює частинку світла в усіх можливих напрямках — тому повторно захопити цей фотон досить важко.

Дослідницька група з TU Wien у Відні (Австрія) тепер змогла теоретично продемонструвати, що за допомогою спеціальної лінзи один фотон, випущений одним атомом, може бути гарантовано повторно поглинений другим атомом. Цей другий атом не тільки поглинає фотон, а й безпосередньо повертає його назад до першого атома. Таким чином, атоми знову і знову передають фотон один одному з високою точністю – як у настільному тенісі.

Як приборкати хвилю

«Якщо атом випромінює фотон десь у вільному просторі, напрямок випромінювання абсолютно випадковий. Це робить практично неможливим змусити інший віддалений атом знову вловити цей фотон», — говорить професор Стефан Роттер з Інституту теоретичної фізики Віденського технічного університету. «Фотон поширюється як хвиля, а це означає, що ніхто не може точно сказати, в якому напрямку він рухається. Тому це чиста випадковість, поглинеться легка частинка другим атомом чи ні».

Інша ситуація, якщо експеримент проводиться не у вільному просторі, а в замкнутому середовищі. Щось дуже подібне відомо з так званих шепочучих галерей в акустиці: якщо двоє людей розмістяться в еліптичній кімнаті точно в точках фокусу еліпса, вони чудово почують один одного – навіть якщо тихо шепочуть. Звукові хвилі відбиваються від еліптичної стіни таким чином, що вони знову зустрічаються саме там, де стоїть друга людина – тому ця людина може чудово чути тихий шепіт.

«В принципі, щось подібне можна було б створити для світлових хвиль при розміщенні двох атомів у фокальних точках еліпса», — каже Олівер Дікманн, перший автор поточної публікації. «Але на практиці два атоми повинні бути розташовані дуже точно в цих фокусних точках».

Об’єктив Максвелла «риб’яче око»

Тому дослідницька група запропонувала кращу стратегію, засновану на концепції лінзи «риб’яче око», яку розробив Джеймс Клерк Максвелл, засновник класичної електродинаміки. Лінза має просторово змінний показник заломлення. У той час як світло поширюється по прямих лініях в однорідному середовищі, такому як повітря або вода, світлові промені згинаються в лінзі Максвелла «риб’яче око».

«Таким чином можна гарантувати, що всі промені, що виходять від одного атома, досягають краю лінзи по викривленій траєкторії, згодом відбиваються, а потім потрапляють на цільовий атом по іншій вигнутій траєкторії», — пояснює Олівер Дікманн. У цьому випадку ефект працює набагато ефективніше, ніж у простому еліпсі, і відхилення від ідеального положення атомів менш шкідливі.

«Світлове поле в цій лінзі Максвелла «риб’яче око» складається з багатьох різних коливальних мод. Це нагадує гру на музичному інструменті, де одночасно генеруються різні гармоніки», — каже Стефан Роттер. «Нам вдалося показати, що зв’язок між атомом і цими різними коливальними режимами можна адаптувати таким чином, що фотон майже напевно переноситься від одного атома до іншого – зовсім інакше, ніж це було б у вільному просторі. .”

Після того, як атом поглинув фотон, він залишається в стані вищої енергії, поки не випустить фотон знову через дуже короткий час. Потім гра починається спочатку: два атоми міняються ролями, і фотон повертається від атома-одержувача до вихідного атома-відправника – і так далі.

Оптимальне управління для квантових технологій

Поки що ефект було продемонстровано теоретично, але практичні випробування можливі за допомогою сучасних технологій. «На практиці ефективність можна збільшити ще більше, використовуючи не лише два атоми, а дві групи атомів», — каже Стефан Роттер. «Ця концепція може стати цікавою відправною точкою для систем квантового контролю для вивчення ефектів надзвичайно сильної взаємодії світла та матерії».