Специалисти по оптика от факултета по физика във Варшавския университет са успели за пръв път да получат холограма на единичен фотон. По-рано това се смяташе за невъзможно за осъществяване. Холограмата позволява да се види “формата” на фотона – неговата квантова функция. За експеримента учените разказват в статия за списание Nature Photonics.
Вълновата функция е основно понятие в квантовата физика. Информацията за нея дава възможност да се построи модел на квантовия обект. В частност, квадрата от модула ѝ представлява разпределение на вероятното положение на частицата в определено състояние. Въпреки че вече повече от сто години квантовата физика широко се използва и е многократно проверена и доказана, физиците все още не могат категорично да се произнесат, дали вълновата функция е просто удобен математически модел или е нещо реално съществуващо. Вероятно новата разработка на варшавските физици ще хвърли светлина и по този проблем.
Пространствената структура на фотона представлява голям интерес в областта на изследванията на квантовите връзки, изчисления, експерименти с заплетени фотони и много други. Но до този момент учените не разполагаха с прост експериментален метод, с който да получат информация за фазата на вълновата функция на фотона. За целта простата фотография е неприложима, защото чрез нея се улавя само интензивността на светлината. За разлика от нея обаче, холограмата позволява да се регистрира и фазата на вълната. За създаването на обикновена холограма съдържащата информацията вълна, например, отразена от тримерен обект, се наслагва върху опорна вълна. Ако източниците на светлината са кохерентни, тоест са с постоянна фаза и дължина на вълната, се образува сложна, устойчива картина, предаваща линиите на изпъкналост и вдлъбнатост (интерференционна картина). Ако полученото изображение се освети с лъч от опорната вълна, се възстановява изходната структура на информационната вълна и може да се види обемното изображение на обекта, от който тя е отразена.
Създаването на холограма на единичен фотон до съвсем скоро се смяташе за невъзможно. За да се получи пълноценна картина, трябва да се фиксират няколко отделни фотона с еднакви свойства, а на практика тяхната фаза не винаги е постоянна. Затова изследователите прибягват до квантова интерференция, в която използват неразличими фотони, получени благодарение на взаимодействието на вълновите функции.
Експериментът е проведен на специално разработена от изследователите установка. Използва два еднакви фотона с плоски фронтове и различна поляризация. Електрическите полета на фотоните се колебаят във взаимно перпендикулярни равнини. Отражението от изпъкнала лупа изкривява фронта на единия от фотоните, превръщайки го в “неизвестен”. За да се придобие по-нагледна представа, може да се използва аналогия с вълните на водна повърхност. Правите валове на вълните, достигащи до брега, съответстват на плоския фронт. Кръговете във водата, образувани от хвърлен камък, илюстрират изкривения фронт. Повтаряйки няколко пъти измерванията, изследователите получават интерференционна картина, която съответства на холограмата на неизвестния фотон. Това изображение може да се използва за да се възстанови амплитудата и фазата на вълновата функция на неизвестния фотон.
Изследователите се надяват, че разработката им ще даде на физиците инструмент за изследване на квантовите явления, особено ако в бъдеще подобен метод бъде разработен за пресъздаване на вълновите функции на по-сложни квантови обекти като атомите, например.
0 коментара:
Публикуване на коментар