Ученые из Факультета Физики, Университета Варшавы, создали самую первую голограмму единственной световой частицы. Захватывающий эксперимент, сообщил в журнале Nature Photonics, проводился доктором Радославом Чрапкиевичем и Михалом Джечурой под наблюдением доктора Войцеха Василевски и профессора Конрада Баназека.
Их успешная регистрация голограммы единственного фотона возвещает о начале новой эпохи в голографии: квантовая голография, которая обещает предложить совершенно новый взгляд на квантовые явления.«Мы выполнили относительно простой эксперимент, чтобы измерить и рассмотреть что-то невероятно трудное, чтобы наблюдать: форма фронтов импульса единственного фотона», говорит доктор Чрапкиевич.В стандартной фотографии отдельные пункты изображения регистрируют интенсивность света только.
В классической голографии явление вмешательства также регистрирует фазу световых волн (это – фаза, которая несет информацию о глубине изображения). Когда голограмма создана, хорошо описанная, безмятежная световая волна (справочная волна) нанесена с другой волной той же самой длины волны, но отражена от трехмерного объекта (пики, и корыта этих двух волн перемещены в различных степенях в различных пунктах изображения).
Это приводит к вмешательству, и разность фаз между этими двумя волнами создает сложный образец линий. Такая голограмма тогда освещена лучом справочного света, чтобы воссоздать пространственную структуру фронтов импульса света, отраженного от объекта и как такового его 3D форма.
Можно было бы думать, что подобный механизм будет наблюдаться, когда количество фотонов, создающих эти две волны, было сокращено к минимуму, который является к единственному справочному фотону и единственному фотону, отраженному объектом. И все же Вы были бы неправы! Фаза отдельных фотонов продолжает колебаться, который делает классическое вмешательство с другими фотонами невозможным.
Так как Варшавские физики сталкивались с на вид невозможной задачей, они попытались заняться проблемой по-другому: вместо того, чтобы использовать классическое вмешательство электромагнитных волн, они пытались зарегистрировать квантовое вмешательство, в котором взаимодействуют функции волны фотонов.Волновая функция – фундаментальное понятие в квантовой механике и ядре ее самого важного уравнения: уравнение Schrodinger. В руках квалифицированного физика функция могла сравниться с замазкой в руках скульптора: когда квалифицированно сформировано, это может использоваться, чтобы ‘формировать’ модель квантовой системы частицы. Физики всегда пытаются узнать о волновой функции частицы в данной системе, так как квадрат ее модуля представляет распределение вероятности нахождения частицы в конкретном государстве, которое очень полезно.
«Все это может казаться скорее сложным, но на практике наш эксперимент прост в своем ядре: вместо того, чтобы смотреть на менение интенсивности света, мы смотрим на изменяющуюся вероятность регистрирующихся пар фотонов после квантового вмешательства», объясняет докторант Джечура.Почему пары фотонов?
Год назад Чрапкиевич и Джечура использовали инновационную камеру, построенную в Университете Варшавы, чтобы снять поведение пар различимых и неразличимых фотонов, входящих в разделитель луча. Когда фотоны различимы, их поведение в разделителе луча случайно: один или оба фотона могут быть переданы или отражены. Неразличимые фотоны показывают квантовое вмешательство, которое изменяет их поведение: они присоединяются в пары и всегда передаются или отражаются вместе. Это известно как вмешательство с двумя фотонами или эффект Хуна-Оу-Манделя.
«После этого эксперимента мы были вдохновлены спросить, могло ли бы квантовое вмешательство с двумя фотонами привыкнуть так же к классическому вмешательству в голографию, чтобы использовать известный – государственные фотоны, чтобы получить дополнительную информацию о неизвестно-государственных фотонах. Наш анализ привел нас к удивительному заключению: оказалось, что, когда два фотона показывают квантовое вмешательство, курс этого вмешательства зависит от формы их фронтов импульса», говорит доктор Чрапкиевич.Квантовое вмешательство может наблюдаться, регистрируя пары фотонов.
Эксперимент должен повторяться несколько раз, всегда с двумя фотонами с идентичными свойствами. Чтобы удовлетворить этим условиям, каждый эксперимент начался с пары фотонов с плоскими фронтами импульса и перпендикулярной поляризацией; это означает, что электрическая область каждого фотона вибрировала в единственном самолете только, и эти самолеты были перпендикулярны для этих двух фотонов.
Различная поляризация позволила отделить фотоны в кристалле и сделать одного из них ‘неизвестным’, изогнув их фронты импульса, используя цилиндрическую линзу. Как только фотоны были отражены зеркалами, они были направлены к разделителю луча (кристалл кальцита).
Разделитель не изменил направление вертикально поляризованных фотонов, но это действительно отличало diplace горизонтально поляризованные фотоны. Чтобы сделать каждое направление одинаково вероятным и удостоверяться, что кристалл действовал как разделитель луча, самолеты поляризации фотона были согнуты 45 градусами, прежде чем фотоны вошли в разделитель.
Фотоны были зарегистрированы, используя современную камеру, разработанную для предыдущих экспериментов. Повторяя измерения несколько раз, исследователи получили изображение вмешательства, соответствующее голограмме неизвестного фотона, рассматриваемого от единственного пункта в космосе. Изображение использовалось, чтобы полностью восстановить амплитуду и фазу волновой функции неизвестного фотона.Эксперимент, проводимый Варшавскими физиками, является главным шагом к улучшению нашего понимания основных принципов квантовой механики.
До сих пор не было простого экспериментального метода получения информации о фазе волновой функции фотона. Хотя у квантовой механики есть много заявлений, и она много раз проверялась с большой степенью точности за прошлый век, мы все еще неспособны объяснить, каковы функции волны на самом деле: они – просто удобный математический инструмент или являются ими что-то реальное?«Наш эксперимент – одно из первого разрешения нам непосредственно наблюдать один из фундаментальных параметров волновой функции фотона – ее фазы – обеспечение нам шаг ближе к пониманию, какова волновая функция действительно», объясняет Джечура.
Варшавские физики использовали квантовую голографию, чтобы восстановить волновую функцию отдельного фотона. Исследователи надеются, что в будущем будут в состоянии использовать подобный метод, чтобы воссоздать функции волны более сложных квантовых объектов, такие как определенные атомы.
Квантовая голография найдет применение вне лаборатории до подобной степени как классическая голография, которая обычно используется в безопасности (голограммы трудно подделать), развлечения, транспорт (в сканерах, измеряющих размеры груза), микроскопическое отображение и оптические данные хранящие и обрабатывающие технологии?«Трудно ответить на этот вопрос сегодня.
Все мы – я подразумеваю, что физики – должны сначала получить наши головы вокруг этого нового инструмента. Вероятно, что реальные применения квантовой голографии еще не появятся в течение нескольких десятилетий, но если есть одна вещь, в которой мы можем быть уверены, случается так, что они будут удивительны», подводит итог профессор Бэнэсзек.