Попробуйте провести быстрый эксперимент: возьмите два фонарика, зайдите в темную комнату и посветите ими так, чтобы их световые лучи пересекались. Заметили что-нибудь особенное? Конечно, вопрос не самый научный, но ваш ответ, скорее всего, будет нет. Это происходит потому, что отдельные фотоны, несущие свет, не взаимодействуют. Вместо этого они просто проходят мимо друг друга, как призраки в ночи.

Но что, если бы это было не так, и частицы света тоже могли взаимодействовать, притягиваться и отталкиваться, как атомы в обычной материи? В таком случае могли бы существовать такие фантастические вещи, как световые мечи. Или, что более вероятно, два луча света могли бы встречаться и сливаться в один единственный светящийся поток.

Может показаться, что такое поведение фотонов потребует переписания законов физики, но на самом деле ученые из Массачусетского технологического института и других стран продемонстрировали, что фотоны действительно могут взаимодействовать — это достижение может открыть путь к использованию фотонов в квантовых вычислениях.

В статье, опубликованной в журнале Science, группа ученых во главе с профессором физики Владаном Вулетич и профессором Михаилом Лукиным из Гарвардского университета, сообщает, что они наблюдали группы из трех взаимодействующих фотонов, которые, по сути, «слипались», чтобы сформировать совершенно новый вид фотонной материи.

В своих экспериментах исследователи обнаружили, что когда они направляют очень слабый лазерный луч через плотное скопление ультрахолодных атомов рубидия, фотоны выходят из него не в виде одиночных, случайно разнесенных частиц, а появляются парами или триплетами, предполагая какое-то взаимодействие между ними,  в данном случае — притяжение.

В то время как фотоны не имеют массы и движутся со скоростью 300 000 километров в секунду (скорость света), исследователи обнаружили, что связанные фотоны фактически приобрели массу, составляющую несколько долей таковой у электрона. Также эти пары фотонов были достаточно медленными — их скорость была примерно в 100 000 раз меньше, чем у обычных невзаимодействующих фотонов.

По словам Вулетича, результаты показывают, что фотоны действительно могут притягиваться и «спутываться». И если их можно заставить взаимодействовать другими способами, фотоны могут быть использованы для выполнения чрезвычайно быстрых и невероятно сложных квантовых вычислений. «Взаимодействие отдельных фотонов было нашей мечтой на протяжении долгих десятилетий», — говорит Вулетич.

Вулетич и Лукин возглавляют Гарвардский центр по изучению ультрахолодных атомов, и вместе они искали пути, как теоретические, так и экспериментальные, для создания подходящих условий для взаимодействия между фотонами. В 2013 году их усилия увенчались успехом, так как команда впервые увидела, что пары фотонов взаимодействуют и связываются друг с другом, создавая совершенно новое состояние материи.

В своей новой работе исследователи задались вопросом, могут ли взаимодействовать не только два фотона, но и большее их количество. «Например, вы можете объединить атомы кислорода с образованием O₂ и O₃ (озон), но никак не O₄, а для некоторых атомов вы не можете образовать даже трехатомную молекулу», — говорит Вулетич. «Так что это был открытый вопрос: можем ли мы связать большее число фотонов, чем два?»

Чтобы это выяснить, команда использовала тот же экспериментальный подход, который они использовали для наблюдения двухфотонных взаимодействий. Процесс начинается с охлаждения облака атомов рубидия до ультрахолодных температур (миллионные доли кельвина). Охлаждение атомов замедляет их до почти полной остановки. Через это облако иммобилизованных атомов исследователи затем светят очень слабым лазерным лучом — настолько слабым, что, фактически, в любой момент времени в облаке находится всего несколько фотонов. Затем исследователи регистрируют фотоны, когда они выходят с другой стороны облака атомов. В новом эксперименте они обнаружили, что фотоны объединяются в пары и триплеты, а не выходят из облака в произвольном порядке, как одиночные никак не связанные частицы.



В дополнение к отслеживанию количества и скорости фотонов команда измеряла фазу фотонов до и после прохождения через облако атомов. Фаза фотона указывает на его частоту колебаний. «Эта фаза говорит нам, насколько сильно они взаимодействуют, и чем больше фаза, тем сильнее они связаны друг с другом», — объясняет Вулетич. Команда заметила, что, когда трехфотонные частицы одновременно выходят из облака атома, их фаза сдвигается по сравнению с тем, что было, когда фотоны вообще не взаимодействовали, и она в три раза больше фазового сдвига в случае с двухфотонными частицами. Это означает, что эти фотоны могут не только взаимодействовать независимо друг от друга, но и образовывать очень сильные взаимные связи.

Затем исследователи разработали гипотезу для объяснения того, что могло бы вызвать такое взаимодействие фотонов. Их модель, основанная на физических принципах, выглядит так: когда один фотон движется через облако атомов рубидия, он ненадолго «приземляется» на один из атомов, потом «перескакивает» на соседний атом, как пчела между цветами, до тех пор, пока не достигнет другого конца облака. Если другой фотон одновременно с первым перемещается через облако, он также может провести некоторое время на атоме рубидия, образуя поляритон — гибридную частицу, являющуюся частично фотоном, частично атомом. Тогда два поляритона могут взаимодействовать друг с другом через их атомную составляющую. На краю облака атомы остаются там, где они были изначально, а вот фотоны выходят, все еще соединенные вместе. Исследователи обнаружили, что это же явление может иметь место с тремя фотонами, образуя еще более сильную связь, чем в случае с двумя фотонами.

Все взаимодействие в облаке атомов происходит за миллионную долю секунды. И именно оно заставляет фотоны оставаться связанными вместе даже после того, как они покинут облако. «Примечательно, что когда фотоны проходят через среду, они «помнят» все, что с ними в ней произошло, даже после выхода», — говорит Канту. Это означает, что фотоны, которые взаимодействовали друг с другом, в данном случае через притяжение, можно рассматривать как сильно коррелированные или запутанные — ключевое свойство для любого квантового компьютерного бита (кубита).

«Фотоны могут путешествовать очень быстро и на большие расстояния, и люди используют свет для передачи информации, например, в оптоволокне», — говорит Вулетич. «Если фотоны могут влиять друг на друга, тогда, если вы можете запутать их, вы сможете использовать их для распространения полезной информации квантовым способом».

Двигаясь вперед, ученые будут искать способы создания других взаимодействий, таких как отталкивание, когда фотоны могут отбрасывать друг друга, как бильярдные шары. «Это романтично в том смысле, что мы даже иногда не знаем результатов экспериментов», — говорит Вулетич. «Возможно, отталкивание фотонов приведет к образованию правильных узоров и кристаллов? Или еще что-то произойдет? Это абсолютно неизведанная область».