Парадоксальное свойство физики фотонов обнаружили бельгийские ученые. В статье, опубликованной в журнале Nature, они рассказали об эксперименте, который противоречит устоявшемуся представлению о феномене группировки фотонов. Эта аномалия доступна для реализации с точки зрения современной фотонной технологии и сможет изменить наше понимание многочастичных квантовых интерференций.
Один из краеугольных камней квантовой физики — принцип дополнительности, сформулированный Нильсом Бором. Грубо говоря, он означает, что объект может вести себя либо как частица, либо как волна. Эти два взаимоисключающих описания хорошо иллюстрирует двухщелевой опыт: луч лазера проходит через два параллельных отверстия в пластине и падает на расположенный за ней экран. Если наблюдать за светом, частицы не образуют характерных полос на экране (интерференционная картина), а если не наблюдать — образуют.
Таким образом, свет можно описать двояко: и как электромагнитную волну, и как лишенные массы частицы, перемещающиеся со скоростью света. И все это сопровождается еще одним феноменом — группировкой фотонов. Если нет способа отделить фотоны и узнать, какой траекторией они движутся в эксперименте по квантовой интерференции, то они имеют склонность соединяться в группы. Это поведение можно наблюдать в опыте с двумя фотонами и полупрозрачным зеркалом, которое делит входящий свет на две возможных траектории: отраженного и пропускаемого света. Так называемый эффект Хонга — У — Мандела говорит нам, что два исходящих фотона всегда выходят вместе с одной стороны зеркала, как следствие волновой интерференции между их траекториями.
Эффект группировки невозможно понять с точки зрения классической физики, которая мыслит фотоны как шары, каждый из которых движется по определенному пути. Группировка становится все менее проявленной по мере того, как растет способность наблюдателя распознавать отдельные фотоны и отслеживать их траектории. По устоявшемуся в науке представлению, у полностью неразличимых фотонов группировка выражена максимально, и постепенно уменьшается, когда фотоны становятся различимы.
Однако это представление недавно было опровергнуто командой ученых из Центра квантовой информации и коммуникации Брюсселя под руководством профессора Николя Серфа. Они изучили теоретический сценарий, при котором семь фотонов группируются вдоль двух исходящих траекторий интерферометра, рассказывает EurekAlert.
Логически рассуждая, группировка должна быть сильнее, когда все все семь фотонов имеют одинаковую поляризацию, поскольку это делает их полностью неразличимыми, то есть мы не получаем никакой информации об их траектории движения в интерферометре. К своему удивлению ученые открыли, что в некоторых случаях группировка фотонов значительно усиливается — а не ослабевает — когда фотоны становятся частично различимыми.
Применив в дополнение к квантовой физике математическую теорию постоянных, ученые смогли доказать, что возможно и дальше повысить группировку фотонов, настроив их поляризацию. Помимо чисто научной ценности эта аномалия имеет практическое значение для квантово-фотонной технологии, которая в последние годы развивается особенно быстро.
Темная материя в силу своей природы не может быть обнаружена с помощью обычных оптических телескопов или другими средствами воспроизводства изображений. Десятки лет астрофизики пытались найти альтернативные методы. Один из вариантов предлагают китайские исследователи, изучившие возможность прямого обнаружения темных фотонов, кандидатов на темную материю, с помощью радиотелескопа.
Георгий Голованов
Источник: m.hightech.plus
The StanD,
20 июня 2023 года