Ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтех), а также Национальной академии наук Беларуси совместно с Российским научным фондом (РНФ) продвинулись на шаг вперед в области квантовой фотоники. Им впервые удалось воспроизвести классическую версию ключевого квантового явления — интерференции Хонга–У–Манделя — с использованием конденсата поляритонов, которые являются уникальными гибридными частицами света и вещества в полупроводниковых системах.
Прорыв в изучении поляритонных конденсатов
Это открытие не только подтверждает существование сложной квантовой интерференции в классических условиях, но и открывает новые перспективы для создания миниатюрных квантовых устройств на базе фотонных компонентов. Исследование проводилось под руководством Степана Барышева и Павлоса Лагудакиса при поддержке Российского научного фонда (РНФ) по гранту № 24-72-10118 и реализовано силами Лаборатории гибридных фотонных систем института Сколтех в партнерстве с Национальной академией наук Беларуси.
От классических экспериментов к современным квантовым технологиям
Эффект Хонга–У–Манделя (ХОМ), впервые обнаруженный в конце 1980-х годов, по праву считается одним из наиболее впечатляющих подтверждений поведения квантовых объектов. В этом уникальном эксперименте два идентичных фотона, попав на разные входы светоделителя, проявляют склонность появляться вместе на одном из выходов, демонстрируя яркий пример «сгруппированного» движения и выдающийся образец межчастичной когерентности. Такая динамика узнается по характерному провалу в корреляционной функции интенсивности — то, что известно как «антикорреляционный провал Хонга–У–Манделя»: именно по нему судят о степени схожести фотонов в опыте.
Поляритоны — новое слово в фотонике
В текущей работе коллектив исследователей решил исследовать экситон-поляритоны, представляющие собой гибриды света и вещества, возникающие при интенсивном взаимодействии фотонов с электронными возбуждениями (экситонами) в полупроводниках. Ключевая особенность поляритонов заключается в их способности объединяться в конденсат — особое квантовое состояние, напоминающее поведение атомов в конденсате Бозе–Эйнштейна. Это позволяет управлять их коллективной волновой природой и рассматривать их как макроскопические квантовые волны.
Для проведения эксперимента ученые создали микроскопическую оптическую ловушку, где удалось захватить и удерживать поляритоны. Затем их излучение было разделено на два отдельных оптических канала, по которым отдельные фотоны поступали в интерферометр Хонга–У–Манделя. Это позволило оценить степень идентичности между двумя пулами поляритонов и увидеть, как классический аналог квантовой интерференции зависит от статистических характеристик самого конденсата и от задержки между оптическими путями сигналов.
Открытия, ведущие к новым квантовым технологиям
Следует отметить, что при специфическом (циркулярно поляризованном) возбуждении поляритонный конденсат отражал свойства сверхстабильного лазера, излучая свет с четко выраженной квантовой статистикой. Очень важно, что антикорреляционный провал при этих условиях точно повторял форму функции когерентности конденсата и приближался к классическому пределу при увеличении временной разницы между оптическими каналами. Это свидетельствует о высокой контролируемости процесса перехода от чисто квантовых к классическим характеристикам в гибридных оптических системах.
Оптимистичный взгляд в будущее квантовой фотоники
Данная работа демонстрирует, что Сколтех, РНФ, Национальная академия наук Беларуси и ведущие исследователи, такие как Степан Барышев и Павлос Лагудакис, стоят у истоков новых технологических решений для квантовых вычислительных систем. Результаты не только существенно расширяют понимание природы поляритонных конденсатов, но и способствуют скорейшему появлению компактных фотонных устройств для информации и моделирования. Это яркий пример успешного кооперации и динамичного развития современной науки, позволяющего строить по-настоящему инновационное будущее.
Научный прогресс в сфере квантовой физики уверенно открывает новые пути для применения света и материи. Современные эксперименты с поляритонными конденсатами иллюстрируют, насколько впечатляющие эффекты способна порождать управляемая кванто-механическая среда при изменении параметров возбуждающего света. Недавние исследования показали, что регулируя поляризацию, можно не только наблюдать, но и эффективно управлять сложнейшими квантовыми явлениями в гибридных системах.
Группировка фотонов: новое в понимании света
В ходе опытов, где возбуждающий свет обладал линейной поляризацией, учёные столкнулись с необычным явлением — эффектом группировки фотонов. Фотоны в таких условиях не распределялись по времени равномерно, а часто «собирались» в компактные группы и испускались последовательно. Этот необычный порядок формирования потоков приводил к случайной смене периодов высокой и низкой плотности, что, в свою очередь, сильно усиливало проявление интерференционных свойств системы. В результате возникновение так называемого провала Хон-Оу-Мандела (ХОМ) было выражено значительно ярче, чем в случае с когерентным возбуждением.
Спиновая динамика и контролируемая интерференция
Другой не менее захватывающий эффект проявился при использовании эллиптически поляризованного света. В таких условиях внутренний спин конденсата начинал вращаться с гигагерцовыми скоростями, что приводило к самоиндуцированным ларморовским прецессиям. Этот процесс вызывал чередующиеся исчезновения и появления провала ХОМ по мере ручной регулировки задержки света. По сути, вращение спина внутри конденсата позволяло точно определять момент возрождения квантовой интерференции. Это яркий пример того, как управляющее воздействие на параметры света позволяет добиваться полной синергии материи и излучения в единой квантовой системе.
«Особенно поразительно было лично наблюдать восстановление двухфотонной интерференции на частотах ларморовской прецессии, — делится впечатлениями Степан Барышев, ведущий научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха. — Оказывается, простая смена поляризации света радикально влияет на весь ход квантовых процессов, позволяя контролировать эффекты, которые ранее считались сугубо фундаментальными».
Слияние оптики и физики твёрдых тел
Поляритонные конденсаты выделяются на фоне других квантовых систем уникальной практичностью. В отличие от традиционных экспериментов с ультрахолодными атомами, которые требуют сложнейших условий — изоляции, сверхвысокого вакуума и мощных лазеров — поляритоны формируются в обычных полупроводниковых микрорезонаторах при куда более доступных температурах. Более того, последние органические материалы и вовсе дают возможность получать квантовые конденсаты при комнатных условиях. Это существенное преимущество открывает путь к созданию компактных и масштабируемых устройств, где можно исследовать проявления квантовых эффектов уже в реальных технологических средах.
Разработанная в Сколтехе теоретическая модель для анализа новых экспериментов позволяет глубже понять суть перехода между классическим и квантовым режимами работы света, исследовать процессы потери когерентности и коллективные взаимодействия в оптических структурах. Эти инструменты не только углубляют фундаментальное знание, но и приближают создание практических приложений в интегральной фотонике и квантовой электронике.
Технологии будущего: от исследований к реальным разработкам
Возможность точно контролировать и наблюдать квантовую интерференцию в поляритонных конденсатах открывает небывалые перспективы для инженерии и промышленности. Подобные системы могут стать решающим элементом для создания инновационных квантовых вычислителей, сверхчувствительных сенсоров, новых средств защищённой связи. Управляемые гибридные квазичастицы, обладающие свойствами как света, так и материи, сочетают быстродействие с эффективным взаимодействием, что идеально подходит для задач следующей волны технологической революции.
«Поляритоны воплощают лучшие черты света и вещества, — поясняет профессор Павлос Лагудакис, руководитель исследования, — они быстры, легко управляются, но при этом могут взаимодействовать между собой как частицы материи. Это делает их идеальным фундаментом для гибридных квантовых решений завтрашнего дня».
Междисциплинарная наука для новых достижений
Слияние квантовой оптики и твёрдотельной физики сегодня формирует уникальное научное направление. Всё чаще оно приносит конкретные технологии в сферы вычислений, диагностики и сенсорики. Благодаря работам российских и зарубежных учёных, знания и методы глубокой квантовой инженерии становятся доступны всё большему числу исследователей и создают оптимистичную почву для следующей большой волны инноваций на стыке оптики, физики и материаловедения.
Источник информации: Сколтех
Источник фото: mackoflower — ru.123rf.com
Прорыв в квантовой интерференции: свет и материя объединяются
Группа ученых совершила значительный шаг в области квантовой физики, продемонстрировав квантовую интерференцию с участием конденсатов света и материи. Благодаря этому открытию становится возможным новый подход к созданию передовых квантовых устройств. Эксперимент доказывает, что фотоны и атомы могут взаимодействовать на принципиально новом уровне, открывая перспективы для развития квантовых технологий следующего поколения.
Новые горизонты для технологий будущего
В ходе работы специалисты объединили конденсаты бозе-эйнштейновской материи и света, что позволило им наблюдать явление интерференции в уникальном проявлении. Такой подход не только расширяет наше понимание фундаментальных свойств квантового мира, но и открывает путь к созданию более эффективных и быстрых устройств на квантовой основе. Результаты исследования могут стать основой для новых сенсоров, квантовых компьютеров и других технологических решений, которые ранее казались фантастикой.
Успех этого проекта воодушевляет ученых во всем мире и вселяет уверенность в то, что будущее квантовых технологий гораздо ближе, чем мы думали. Продолжаются дальнейшие эксперименты, которые обязательно приведут к новым удивительным открытиям и достижениям.
