Квантовый сюрприз: материя обеспечивает сверхсильную связь между частицами света
Открытие ученых создает фундамент для разработки будущих поколений квантовых процессоров, решений для высокоскоростной передачи данных и передовых сенсорных систем.
Ученые из Университета Райса предложили инновационный метод контроля световых взаимодействий с помощью специально сконструированных структур, известных как трехмерные фотонные кристаллы. Результаты их исследования открывают перспективы революционных достижений в области квантовых вычислений, коммуникаций и иных передовых технологий, пишет Phys.org.
«Вообразите помещение, стены которого покрыты зеркальной поверхностью. Если направить туда луч фонарика, свет начнет многократно отражаться, образуя бесконечный цикл движения. Подобная ситуация возникает внутри оптической полости, которая устроена таким образом, что позволяет удерживать свет между двумя отражающими поверхностями и создает особые паттерны распространения излучения», — поясняет Фуян Тай, ведущий автор исследования.
Данные паттерны с дискретными частотами называются резонаторными модами. Их можно использовать для улучшения взаимодействия света и материи, что делает их потенциально полезными в квантовой обработке информации, а также в разработке высокоточных лазеров, датчиков, фотонных схем и волоконно-оптических сетей. Создание оптических резонаторов остается сложной задачей, поэтому большинство существующих конструкций базируются на простых однослойных структурах.
Дзюнитиро Коно и его группа разработала новый способ управления взаимодействием света с помощью специально спроектированной структуры, называемой 3D фотонно-кристаллической полостью.Источник: George Vidal / Rice University
Для своего эксперимента ученые создали сложную объемную структуру оптической полости и использовали ее для изучения того, как множественные моды взаимодействуют с тонким слоем свободно движущихся электронов, подвергаемых воздействию статического магнитного поля. «Известно, что взаимодействие электронов между собой значительно сильнее, нежели фотонов. Но благодаря использованию такой специальной полости удается резко усилить электромагнитные поля, укрепляя связь между светом и веществом и формируя квантовые суперпозиционные состояния — так называемые поляритоны», — объясняет один из авторов работы Дзюнитиро Коно.
Поляритоны, то есть гибридные состояния света и материи, позволяют эффективно управлять свойствами света на микроскопическом уровне, что обещает привести к созданию быстродействующих и экономичных квантовых компьютеров и коммуникационных систем. Более того, поляритоны способны демонстрировать коллективное поведение, приводящее к образованию квантово-запутанных состояний, перспективных для разработки принципиально новых квантовых элементов и чувствительных измерительных приборов.