Ny form for lys:Nyligt observeret optisk tilstand kunne muliggøre kvanteberegning med fotoner

Prøv et hurtigt eksperiment:Tag to lommelygter ind i et mørkt rum og lys dem, så deres lysstråler krydser. Læg mærke til noget ejendommeligt? Det ret antiklimaktiske svar er, sikkert ikke. Det er fordi de enkelte fotoner, der udgør lys, ikke interagerer. I stedet, de går simpelthen forbi hinanden, som ligegyldige ånder om natten.

Men hvad nu hvis lyspartikler kunne fås til at interagere, tiltrække og frastøde hinanden som atomer i almindeligt stof? En pirrende, omend sci -fi -mulighed:lette sabler - lysstråler, der kan trække og skubbe på hinanden, gør for blændende, episke konfrontationer. Eller, i et mere sandsynligt scenario, to lysstråler kunne mødes og smelte sammen til en enkelt, lysende strøm.

Det kan virke som om en sådan optisk adfærd ville kræve bøjning af fysikkens regler, men faktisk, forskere ved MIT, Harvard Universitet, og andre steder har nu vist, at fotoner faktisk kan fås til at interagere - en præstation, der kunne åbne en vej mod at bruge fotoner i kvanteberegning, hvis ikke i lette sabler.

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , holdet, ledet af Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik ved MIT, og professor Mikhail Lukin fra Harvard University, rapporterer, at den har observeret grupper på tre fotoner, der interagerer og, træde i kræft, hænger sammen for at danne en helt ny form for fotonisk stof.

I kontrollerede forsøg, forskerne fandt ud af, at når de skinnede en meget svag laserstråle gennem en tæt sky af ultrakølede rubidiumatomer, frem for at forlade skyen som single, tilfældigt adskilte fotoner, fotoner bundet sammen i par eller trillinger, tyder på en form for interaktion - i dette tilfælde, tiltrækning - finder sted blandt dem.

Mens fotoner normalt ikke har nogen masse og rejser ved 300, 000 kilometer i sekundet (lysets hastighed), forskerne fandt ud af, at de bundne fotoner faktisk erhvervede en brøkdel af en elektronmasse. Disse nyvægtede lyspartikler var også relativt træg, rejser omkring 100, 000 gange langsommere end normale ikke -interagerende fotoner.

Vuletic siger, at resultaterne viser, at fotoner virkelig kan tiltrække, eller forvirre hinanden. Hvis de kan få dem til at interagere på andre måder, fotoner kan udnyttes til at yde ekstremt hurtigt, utrolig komplekse kvanteberegninger.

"Interaktionen mellem individuelle fotoner har været en meget lang drøm i årtier, "Siger Vuletic.

Vuletics medforfattere omfatter Qi-Yung Liang, Sergio Cantu, og Travis Nicholson fra MIT, Lukin og Aditya Venkatramani fra Harvard, Michael Gullans og Alexey Gorshkov fra University of Maryland, Jeff Thompson fra Princeton University, og Cheng Ching fra University of Chicago.

Større og større

Vuletic og Lukin leder MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, og sammen har de ledt efter måder, både teoretisk og eksperimentelt, at tilskynde til interaktioner mellem fotoner. I 2013, indsatsen gav pote, da teamet observerede par af fotoner, der interagerer og bindes sammen for første gang, skaber en helt ny tilstand.

I deres nye arbejde, forskerne spekulerede på, om interaktioner kunne finde sted mellem ikke kun to fotoner, men mere.

"For eksempel, du kan kombinere iltmolekyler til dannelse af O2 og O3 (ozon), men ikke O4, og for nogle molekyler kan du ikke selv danne et trepartikelmolekyle, "Vuletic siger." Så det var et åbent spørgsmål:Kan du tilføje flere fotoner til et molekyle for at lave større og større ting? "

At finde ud af, holdet brugte den samme eksperimentelle tilgang, som de brugte til at observere to-foton-interaktioner. Processen begynder med afkøling af en sky af rubidiumatomer til ultrakølede temperaturer, bare en milliontedel af en grad over det absolutte nul. At afkøle atomerne bremser dem næsten. Gennem denne sky af immobiliserede atomer, forskerne stråler derefter en meget svag laserstråle - så svag, faktisk, at kun en håndfuld fotoner rejser gennem skyen ad gangen.

Forskerne måler derefter fotonerne, når de kommer ud på den anden side af atomskyen. I det nye forsøg, de fandt ud af, at fotonerne strømmede ud som par og trillinger, frem for at forlade skyen med tilfældige intervaller, som enkeltfotoner, der ikke har noget med hinanden at gøre.

Ud over at spore antallet og hastigheden af ​​fotoner, holdet målte fasen af ​​fotoner, før og efter rejse gennem atomskyen. En fotonfase angiver dens svingningsfrekvens.

"Fasen fortæller dig, hvor stærkt de interagerer, og jo større fase, jo stærkere de er bundet sammen, "Venkatramani forklarer. Teamet observerede, at da tre-fotonpartikler forlod atomskyen samtidigt, deres fase blev forskudt i forhold til, hvad det var, da fotoner slet ikke interagerede, og var tre gange større end faseskiftet af to-fotonmolekyler. "Det betyder, at disse fotoner ikke bare er hver af dem uafhængigt interagerende, men de interagerer alle sammen stærkt. "

Mindeværdige møder

Forskerne udviklede derefter en hypotese for at forklare, hvad der kunne have forårsaget fotoner til at interagere i første omgang. Deres model, baseret på fysiske principper, fremlægger følgende scenario:Når en enkelt foton bevæger sig gennem skyen af ​​rubidiumatomer, det lander kortvarigt på et atom i nærheden, inden det hopper til et andet atom, som en bi, der flitter mellem blomster, indtil den når den anden ende.

Hvis en anden foton samtidig bevæger sig gennem skyen, det kan også bruge lidt tid på et rubidiumatom, danner en polariton - en hybrid, der er en del foton, del atom. Derefter kan to polaritoner interagere med hinanden via deres atomkomponent. I udkanten af ​​skyen, atomer forbliver, hvor de er, mens fotonerne forlader, stadig bundet sammen. Forskerne fandt ud af, at det samme fænomen kan forekomme med tre fotoner, danner en endnu stærkere binding end interaktionerne mellem to fotoner.

"Det interessante var, at disse trillinger overhovedet dannedes, "Vuletic siger." Det var heller ikke kendt, om de ville være ens, mindre, eller stærkere bundet sammenlignet med fotonpar. "

Hele interaktionen i atomskyen sker over en milliontedel af et sekund. Og det er denne interaktion, der får fotoner til at forblive bundet sammen, selv efter at de har forladt skyen.

"Hvad der er pænt ved dette er, når fotoner går gennem mediet, alt hvad der sker i mediet, de 'husker', når de kommer ud, "Siger Cantu.

Det betyder, at fotoner, der har interageret med hinanden, i dette tilfælde gennem en tiltrækning mellem dem, kan betragtes som stærkt korreleret, eller indviklet - en nøgleegenskab for enhver kvanteberegningsbit.

"Fotoner kan rejse meget hurtigt over lange afstande, og folk har brugt lys til at overføre oplysninger, såsom i optiske fibre, "Vuletic siger." Hvis fotoner kan påvirke hinanden, så hvis du kan sammenfiltre disse fotoner, og det har vi gjort du kan bruge dem til at distribuere kvanteinformation på en interessant og nyttig måde. "

Fremadrettet, teamet vil lede efter måder at tvinge andre interaktioner på, såsom frastødning, hvor fotoner kan spredes fra hinanden som billardbolde.

"Det er helt nyt i den forstand, at vi ikke engang kvalitativt ved, hvad vi kan forvente, "Vuletic siger." Med frastødning af fotoner, kan de være sådan, at de danner et almindeligt mønster, som en krystal af lys? Eller vil der ske noget andet? Det er et meget ukendt område. "