Fizycy z Uniwersytetu w Bonn opracowali metodę manipulowania kondensatami Bosego-Einsteina światła poprzez strukturowanie odblaskowych powierzchni pojemnika, w wyniku czego powstają superfotony, które mogą utrzymywać jednolity stan w wielu przestrzeniach kwantowych.
Ten przełom oferuje nowy potencjał tworzenia bezpiecznej komunikacji kwantowej poprzez wykorzystanie właściwości światła splątania kwantowego, torując drogę do dyskusji i transakcji odpornych na podsłuchy pomiędzy wieloma stronami.
Kondensat światła Bosego-Einsteina
Kiedy wiele lekkich cząstek zostaje schłodzonych do bardzo niskiej temperatury i jednocześnie zamkniętych w zwartej przestrzeni, nagle stają się nie do odróżnienia od siebie i zachowują się jak pojedynczy super foton. Fizycy nazywają to kondensatem Bosego-Einsteina i zwykle przypomina on rozmazaną plamkę światła. „Udało nam się jednak odcisnąć na kondensacie prostą strukturę sieciową” – mówi Andreas Redmann z Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) na Uniwersytecie w Bonn.
Naukowcy z IAP tworzą superfotony, napełniając maleńki pojemnik roztworem barwnika. Boczne ściany kontenera są odblaskowe. Jeśli cząsteczki barwnika są wzbudzane za pomocą lasera, wytwarzają fotony, które odbijają się tam i z powrotem pomiędzy odbijającymi powierzchniami. Te lekkie cząstki zaczynają się stosunkowo ciepło. Jednakże wielokrotnie zderzają się one z cząsteczkami barwnika, gdy przemieszczają się pomiędzy odblaskowymi powierzchniami i ochładzają się, aż w końcu skondensują się, tworząc superfoton.
Strukturalny wpływ powierzchni odblaskowych
„Powierzchnie odblaskowe są zwykle idealnie gładkie” – wyjaśnia Redmann. „Postanowiliśmy celowo dodać do nich niewielkie wcięcia, które w przenośni dają więcej miejsca na gromadzenie się w nich światła”. To skutecznie odciska strukturę na kondensacie – prawie tak, jak w przypadku wciskania formy zamkniętą stroną do dołu do piaskownicy: jeśli ponownie ją podniesiesz, nadal będziesz mógł zobaczyć odcisk formy na piasku.
„W ten sposób udało nam się stworzyć cztery obszary, w których kondensat woli się zatrzymywać” – mówi Redmann. To tak, jakbyś podzielił miskę z wodą na cztery filiżanki ułożone w kształcie kwadratu. Jednak w przeciwieństwie do wody superfoton niekoniecznie podzieli się na cztery mniejsze części. Jeśli miseczki są umieszczone wystarczająco blisko siebie, aby lekkie cząsteczki mogły przepływać kwantowo mechanicznie między nimi tam i z powrotem, pozostaje to jako pojedynczy kondensat.
Potencjał komunikacji kwantowej
Właściwość tę można wykorzystać na przykład do stworzenia tzw. splątania kwantowego. Jeśli światło w jednej filiżance zmieni swój stan, będzie to miało wpływ również na światło w pozostałych filiżankach. Ta kwantowo-fizyczna korelacja między fotonami jest podstawowym wymogiem, aby wymiana informacji – taka jak dyskusje lub tajne transakcje – między kilkoma uczestnikami była odporna na podsłuch.
„Poprzez celową zmianę kształtu powierzchni odbijających teoretycznie możliwe jest utworzenie kondensatów Bosego-Einsteina podzielonych na 20, 30 lub nawet więcej miejsc sieci” – wyjaśnia Redmann. „Dzięki temu moglibyśmy zapewnić, że komunikacja między wieloma uczestnikami dyskusji będzie odporna na podsłuchy. Nasze badanie po raz pierwszy pokazało, w jaki sposób można celowo stworzyć określone wzorce emisji do wykorzystania w konkretnym zastosowaniu. To sprawia, że metoda ta jest niezwykle interesująca w kontekście wielu różnych osiągnięć technologicznych.”
Odniesienie: „Kondensacja fotonów Bosego-Einsteina w pierścieniu kwantowym z czterema miejscami” autorstwa Andreasa Redmanna, Christiana Kurtscheida, Nielsa Wolfa, Franka Vewingera, Juliana Schmitta i Martina Weitza, 30 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.093602
Projekt był finansowany przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG), Unię Europejską (ERC Starting Grant) i Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR).
