«Квантовый пинг-понг»: атомы научили перекидывать друг другу фотон
Атомы могут поглощать и излучать обратно свет — это обычное явление. Однако в большинстве случаев атом испускает легкую частицу во всех возможных направлениях, поэтому перехватить этот фотон довольно сложно.
Исследовательская группа из Венского технологического университета (Австрия) предложила расчеты и компьютерную модель, показывающие, что с помощью специальной линзы одиночный фотон, испускаемый одним атомом, может быть гарантированно повторно поглощен вторым. Второй атом не только поглощает фотон, но и возвращает его первому. Таким образом, атомы снова и снова передают фотон друг другу с невероятной точностью — как в пинг-понге. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
«Если атом испускает фотон где-то в свободном пространстве, направление излучения совершенно случайно. Это делает практически невозможным заставить другой атом снова поймать этот фотон. Фотон распространяется как волна, а это означает, что никто не может точно сказать, в каком направлении он движется», — говорит профессор Стефан Роттер.
Другое дело, если эксперимент проводится не в свободном пространстве, а в закрытом. Нечто подобное происходит в так называемых шепчущих галереях: если два человека станут в эллиптической комнате, они смогут прекрасно слышать друг друга, даже если лишь шепчут. Звуковые волны отражаются от эллиптической стены таким образом, что они снова встречаются именно там, где стоит второй человек.
«В принципе, нечто подобное можно было бы построить и для световых волн, расположив два атома в фокусах эллипса. Но на практике два атома должны быть расположены очень точно», — говорит Оливер Дикманн, первый автор публикации.
Исследовательская группа разработала метод, основанный на концепции линзы «рыбий глаз», разработанной в XIX веке Джеймсом Клерком Максвеллом, основателем электродинамики. В линзе «рыбий глаз» световые лучи изгибаются.
«Таким образом, можно гарантировать, что все лучи, исходящие от одного атома, достигают края линзы по изогнутой траектории, отражаются, а затем достигают первого по другой. Это напоминает игру на музыкальном инструменте, где одновременно генерируются разные гармонии», — объясняет Оливер Дикманн.
Эффект был продемонстрирован теоретически, но с использованием современных технологий возможны эксперименты.
«Эффективность можно повысить еще больше, если использовать не просто два атома, а две группы атомов. Метод может стать интересной отправной точкой для систем квантового управления при изучения эффектов взаимодействия света и материи», — говорит Стефан Роттер.
