Pirmąkart istorijoje stebėtas, bet nesunaikintas pavienis fotonas

Individualias šviesos daleles šiais laikais gali aptikti gausybė jutiklių, kuriuos galima be problemų įsigyti. Tačiau visi šie instrumentai aptikimo metu absorbuoja fotonus ir iš jų energijos generuoja girdimą trakštelėjimą ar parodo kitokį signalą, rašo sciencenews.org.

Maxo Plancko Kvantinės optikos instituto (Vokietija) fizikas Stephanas Ritteris su kolegomis nusprendė realizuoti 2004 metais iškeltą pasiūlymą – sukurti nedestruktyvų fotonų aptikimo metodą. Taigi, jie sukūrė įrenginį, kuris šviesos daleles ne gaudė, o „juto jų buvimą“. Tam mokslininkams prireikė pritaikyti kvantinės mechanikos ekscentriškas savybes, kuomet dalelės gali egzistuoti keliose būsenose ir būti keliose vietose vienu metu.

S. Ritteris su kolegomis pradėjo nuo dviejų labai gerai atspindinčių veidrodžių, atstumas tarp kurių buvo pusė milimetro. Tuomet į tarpelį buvo patalpintas vienas rubidžio atomas, veikęs kaip saugiklis. Rubidis buvo pasirinktas dėl to, kad jis gali būti dviejų skirtingų būsenų, kurios priklausomos nuo elektronų išsidėstymo atome. Vienoje būsenoje jis yra idealus „sargybinis“, 100 procentų efektyvumu sugaudantis visus į ertmę tarp veidrodžių bandančius patekti fotonus. Kitoje būsenoje rubidis yra visiškai neįgalus sargybinis, praleidžiantis visus fotonus. O pro rubidį praėję fotonai 20 000 kartų atsimušinėja nuo vieno veidrodžio iki kito, kol galų gale išlekia iš to tarpo.

Svarbiausia mokslininkams buvo išmokti valdyti rubidžio atomą taip, kad jis pereitų į vadinamąją kvantinės superpozicijos būseną, t. y., tuo pačiu metu būtų ir patikimu, ir „miegančiu“ sargybiniu. Dėl to kiekvienas atomas taip pat pereidavo į superpozicijos būseną bei tuo pačiu metu ir prasmukdavo į tarpelį su veidrodžiais, ir buvo sustabdomas tarpdury bei atspindimas. Kiekvieną kartą, kai fotonas būdavo atspindimas, keitėsi išmatuojama atomo savybė, vadinama faze. Jeigu dviejų rubidžio atomo būsenų fazės skirdavosi, tuomet mokslininkai galėjo užtikrintai pasakyti, kad jį buvo apšvietęs atomas.

Norėdami savo rezultatus patvirtinti, mokslininkai savo jutiklio kitame gale pastatė įprastinį fotonų detektorių, kurį fotonai pasiekdavo po kontakto su rubidžio atomu, rašoma lapkričio 14 d. žurnalo „Science“ numeryje.

„Tai – labai šaunus eksperimentas“, - sakė nacionalinio standartų ir technologijų instituto (JAV) kvantinės optikos grupės vadovas Alanas Migdallas. Tačiau jis įspėja, kad fotonų identifikavimas jų nesunaikinant nereiškia, kad išeinantis fotonas yra lygiai toks pats, kaip įeinantis. „Iš jo informacija išgaunama, taigi, fotonas yra paveikiamas“, - sakė mokslininkas.

S. Ritteris tikisi, kad esminės fotonų savybės po tokio aptikimo išliks nepakitusios, tačiau pripažino, kad norint tai patvirtinti, jam su kolegomis reikės atlikti daugiau tyrimų.

Mokslininkas pažymi, kad idealių fotonų detektorių nebūna – jo ir kolegų sukurtas aparatas nėra išimtis. Pavyzdžiui, jis neaptikdavo ketvirčio įeinančių fotonų, o trečdalį jų absorbuodavo. Tačiau, pasak tyrimo vadovo, metodo galia slypi tame, kad daugelyje pavienių fotonų registravimo sričių kiekvienas atskiras detektorius ir neturėtų veikti idealiai. S. Ritteris įsivaizduoja, kad reikėtų pagaminti pavienių fotonų detektorių masyvą, kuris praktiškai garantuotų fotonų pastebėjimą, jei tik šie nebūtų absorbuojami.

Pilną metodo aprašymą galima rasti čia.