Удивительное открытие: Флуоресцентный свет одиночного атома обнаруживает неожиданный эффект фотонной пары

Исследователи Берлинского университета им. Гумбольдта в сотрудничестве с проектом DAALI сделали революционное открытие, касающееся флуоресцентного излучения одного атома. Этот неожиданный эффект может иметь значительные последствия для квантовой связи и был опубликован в престижном научном журнале Nature Photonics.

Природа света: От Планка до Эйнштейна

В 1900 году Макс Планк предположил, что свет может обмениваться энергией с веществом только в виде дискретных единиц, называемых квантами. Позднее Альберт Эйнштейн расширил эту концепцию, предположив, что свет сам состоит из этих квантов, известных сегодня как фотоны. Сегодня мы располагаем технологией обнаружения одиночных фотонов с помощью высокочувствительных фотодиодов. При непрерывном освещении эти фотодиоды регистрируют серию коротких импульсов тока, каждый из которых свидетельствует об обнаружении одного фотона.

Раскрытие секретов лазерного рассеяния света

Когда лазерный луч возбуждает флуоресценцию одного атома, возникающее при этом излучение отличается от самого лазерного излучения. Если лазерное излучение содержит одновременно возникающие фотоны, то флуоресцентное излучение одного атома позволяет одновременно обнаружить только один фотон. Если два лазерных фотона попадают одновременно на один атом, то атом поглощает один из них и пропускает другой. Поглощенный фотон затем случайным образом излучается в другом направлении, прежде чем атом сможет поглотить еще один фотон.

Это означает, что один атом может рассеивать только один фотон за раз, в результате чего флуоресцентный свет при обнаружении выглядит как нитка жемчуга. Это свойство очень важно для квантовых технологий, таких как защищенная от прослушивания связь, использующая одиночные фотоны, испускаемые естественными или искусственными атомами.

Неожиданный эффект фотонной пары

Исследовательская группа из Университета Гумбольдта сделала удивительное открытие, используя флуоресцентное излучение одного атома. Удалив из света с помощью фильтра определенную цветовую составляющую, они заметили, что поток одиночных фотонов превратился в пары фотонов, которые были обнаружены одновременно.

Это открытие бросает вызов нашему пониманию повседневного мира. Удаление определенных фотонов из потока одиночных фотонов не должно приводить к появлению пар оставшихся фотонов. Это сродни тому, как если бы на улице убрали все зеленые автомобили, а оставшиеся вдруг стали бы ездить парами.

Кроме того, было опровергнуто бытовавшее ранее мнение о том, что атом может рассеивать только один фотон за раз. Через правильный цветовой фильтр атом может рассеивать два фотона одновременно.

Последствия для квантовой связи

Этот удивительный эффект имеет большое значение для квантовой связи и других квантовых технологий. Манипулируя светом, излучаемым отдельными атомами, исследователи, возможно, смогут усовершенствовать защищенные от прослушивания системы связи и разработать новые методы обработки информации.

Юрген Фольц, один из ведущих ученых из группы Гумбольдтского университета, делится своими соображениями по поводу сделанного открытия: "Полученные нами результаты бросают вызов общепринятым представлениям о свете и его взаимодействии с веществом. Этот неожиданный эффект открывает новые возможности для использования энергии одиночных фотонов в различных приложениях, в частности, в области квантовой связи".

Способность генерировать пары фотонов из одного атома обладает огромным потенциалом для развития технологий квантовой связи. Это неожиданное явление может проложить путь к более эффективной и безопасной передаче информации, совершив революцию в этой области.