Квантовый бумеранг: новая запутанная история света

В своем новаторском исследовании ученые физического факультета Варшавского университета успешно манипулируют светом, демонстрируя квантовый обратный поток - явление, которое долгое время озадачивало ученых.

Накладывая друг на друга два световых пучка, закрученных в противоположных направлениях, ученые смогли создать в темных областях полученной суперпозиции закручивание против часовой стрелки.

Это открытие имеет далеко идущие последствия, поскольку проливает свет на сложный мир квантовой механики и открывает возможности для практического применения в точных технологиях. Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Optica, что еще больше подтверждает его значимость в научном сообществе.

Чтобы понять значение этого открытия, необходимо разобраться в тонкостях квантовой механики. В отличие от классической механики, где объекты имеют известные положения, квантовые частицы могут существовать в состоянии суперпозиции, занимая одновременно несколько положений. Эта уникальная особенность позволяет квантовым частицам демонстрировать поведение, которое не поддается нашему повседневному пониманию физики.

Одним из таких поведений является обратный поток, когда частицы имеют вероятность двигаться назад или вращаться в противоположном направлении в течение определенных периодов времени. Бонишиха Гош, докторант физического факультета Варшавского университета, поясняет: "Физики называют такое явление обратным потоком".

Чтобы проиллюстрировать особенность квантового обратного потока, Гхош проводит аналогию с броском теннисного мяча. В классической механике после приведения мяча в движение он продолжает двигаться вперед с положительным импульсом, если ему не мешают. Однако в квантовой механике частицы могут демонстрировать неожиданные изменения направления и поведения.

Доктор Радек Лапкевич, руководитель лаборатории квантовой визуализации на физическом факультете Варшавского университета, более подробно раскрывает эту концепцию. Он говорит: "В классической механике объект имеет известное положение. Между тем в квантовой механике и оптике объект может находиться в так называемой суперпозиции, что означает, что данная частица может находиться в двух или более положениях одновременно".

В то время как обратный поток в квантовых системах остается неуловимым, ученые успешно наблюдают это явление в классической оптике с помощью пучков света. В теоретических работах Якира Агаронова, Майкла В. Берри и Санду Попеску была исследована связь между обратным потоком в квантовой механике и аномальным поведением оптических волн на локальных масштабах.

Опираясь на этот фундамент, д-р Анат Даниэль и др. из группы д-ра Радека Лапкевича в Варшавском университете продемонстрировали обратный поток в одном измерении с помощью интерференции двух световых пучков. Их работа проложила путь к настоящему исследованию, в котором ученые продемонстрировали эффект обратного потока в двух измерениях.

В своей работе "Азимутальный обратный поток в свете с орбитальным угловым моментом", опубликованной в журнале Optica, исследователи с физического факультета Варшавского университета наложили друг на друга два световых пучка с разными амплитудами. Эти пучки несли только отрицательный орбитальный угловой момент (ОУМ), что приводило к локально положительному ОУМ в темных областях. Этот контринтуитивный эффект, названный "азимутальным обратным потоком", представляет собой значительный шаг к пониманию сложностей квантовой механики.

Д-р Анат Даниэль выразила свое восхищение этой работой, заявив: "Что меня восхищает в этой работе, так это то, что вы очень легко понимаете, как все становится странным, когда вы попадаете в царство измерений локального масштаба".

Этот прорыв не только пополняет наши знания о квантовой механике, но и имеет перспективное применение в прецизионных технологиях. Манипулируя светом с целью получения квантового обратного потока, исследователи могут открыть новые возможности для передовых методов визуализации и систем обработки информации.