Фотоны – одни из наиболее вездесущих, и в то же время самых «одиноких» частиц в квантовом мире. Они повсюду окружают нас, но никогда не взаимодействуют друг с другом. Ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета добились важной победы: им удалось обнаружить группы из трех фотонов, взаимодействующие и соединяющиеся друг с другом, образуя тем самым новую, неизвестную прежде, форму света. В настоящее время это исследование находится на экспериментальной стадии, но его результаты могут помочь ученым целенаправленно связывать между собой фотоны, что является ключевым элементом, необходимым для создания квантовых компьютеров.
Когда атомы некоторых элементов объединяются в молекулы, они могут связываться парами или тройками, образуя, например, О2 (кислород) или О3 (озон). Однако, если соединить лучи двух фонариков, увы, ничего не происходит. Потоки фотонов просто проходят сквозь друг друга, без какой бы то ни было реакции. Дело в том, что у них нет ни массы, ни электрического заряда, хотя они могут находиться в состоянии возбуждения в форме рентгеновских или гамма-лучей.
Чтобы заставить фотоны объединиться в группы, исследователи пропускали очень слабый поток лазерного излучения сквозь плотное облако атомов рубидия, охлажденное практически до абсолютного нуля. Вместо того чтобы выходить случайным образом по одному, как ожидалось, они связывались между собой в пары или тройки, создавая некоторую форму связи. Кроме того, фотоны, лишенные в нормальных условиях массы покоя, приобретали ее. И пусть она составляла ничтожную долю массы электрона, все же лучше чем ничего.
Эти укрупненные фотонные «молекулы», если можно так выразиться, были значительно менее «проворными». Вместо того, чтобы двигаться со своей обычной скоростью около 300 тысяч километров в секунду, они перемещались в 100 тысяч раз медленнее, то есть даже медленнее, чем летит сейчас автомобиль Tesla Roadster вместе с ракетой Falcon Heavy, запущенной компанией SpaceX. Разумеется, если верить приблизительным расчетам.
Как же подобное могло произойти? Проходя через бесчисленные атомы рубидия, фотоны оставляли часть своей энергии. Однако, из-за физического феномена, известного как блокада Ридберга, соседние атомы не могут возбуждаться в одинаковой степени, и менее возбужденный атом вместе с фотоном образует гибрид, называемый «поляритоном». По мере того, как фотоны проходили между поляритонами, они взаимодействовали между собой, чего никогда не происходит в нормальных условиях, а некоторые из них оставались связанными в группы, когда покидали рубидиевое облако. Это происходило медленно по меркам квантового мира, то есть на протяжении одной миллионной доли секунды от входа до выхода.
Ученые уже не впервые добились соединения фотонов. Некоторые из участников той же исследовательской группы еще в 2013 году сумели получить связанные пары фотонов. Однако, новое открытие заключается в том, что на этот раз три фотона были вынуждены взаимодействовать между собой, что в корне меняет ситуацию.
Это исследование представляет интерес не только для физики элементарных частиц. Оно может в конечном итоге проложить путь к созданию новых квантовых компьютеров, которые будут использоваться для взлома криптографических кодов и решения сверхсложных уравнений. В сущности, эти триплеты фотонов уже связаны между собой, поэтому они могут использоваться в квантовых процессорах, или для передачи информации на большие расстояния.
Наличие нескольких фотонов, связанных между собой, может позволить создать более мощные и производительные системы. «Взаимодействие отдельных фотонов на протяжении десятилетий было нашей несбыточной мечтой», – сказал руководитель исследовательской группы, профессор МИТ Владан Вулетич.