A fizikusok új fényformát hoztak létre, amely lehetővé teszi a kvantumszámítást fotonokkal.

Az MIT, a Harvard Egyetem és más intézmények tudósai már bebizonyították, hogy a fotonok kölcsönhatásba léphetnek. Próbáljon ki egy gyors kísérletet: Vegyen két zseblámpát egy sötét szobában, és világítson úgy, hogy a fénysugarak keresztezzék egymást. Észre vesz valami különöset? A meglehetősen gyakori válasz az, hogy nem. Ez azért van, mert az egyes fotonok, amelyek fényt alkotnak, nem kölcsönhatásba lépnek egymással, hanem egyszerűen átmennek egymáson.

De mi lenne, ha képesek lennének kölcsönhatásba lépni, vonzani és taszítani egymást, mint az atomok más anyagokban? Egy valószínű forgatókönyv szerint a két fénysugár találkozhat és egyetlen fénysugárba összefonódhat.

Úgy tűnhet, hogy az ilyen optikai viselkedés megköveteli a fizikai szabályok nélkülözését, de valójában az MIT, a Harvard Egyetem és másutt dolgozó tudósok már bizonyították, hogy a fotonok valóban kölcsönhatásba léphetnek. A Science folyóiratban megjelent cikkében Vladan Vuletic, az MIT professzora, valamint Mikhail Lukin professzor a Harvard Egyetemről három olyan fotoncsoportról beszél, amelyek egymással kölcsönhatásban vannak és összeragadva teljesen újfajta fotonanyagot alkotnak.

Ellenőrzött kísérletekben a kutatók azt találták, hogy amikor nagyon gyenge lézersugarat keltettek az ultrahideg rubídium atomok sűrű felhőjén keresztül, ahelyett, hogy azok a felhőből egyetlen, véletlenszerűen eloszló fotonként léptek volna ki, párokban vagy hármasokban összekapcsolódtak, ami valamilyen interakció – ebben az esetben a vonzás.

Míg a fotonoknak általában nincsen tömege és 300 000 kilométer per másodperc sebességgel haladnak (a fény sebessége), a kutatók megállapították, hogy a kötött fotonok ténylegesen megtalálták az elektron tömegének egy töredékét. Ezek az újonnan lemért könnyű részecskék is viszonylag lassúak voltak, és körülbelül 100 ezerszer lassabban haladtak, mint a normál nem interaktív fotonok.

Vuletic szerint az eredmények azt mutatják, hogy a fotonok valóban vonzzák egymást, vagy kölcsönhatásba lépnek egymással. Ha más módon is kölcsönhatásba kerülhetnek, a fotonok felhasználhatók rendkívül gyors, hihetetlenül összetett kvantumszámítások elvégzésére.

2013-ban ez a csapat már megfigyelt olyan fotonpárokat, amelyek egymással kölcsönösen kapcsolódtak egymáshoz, és teljesen új anyagállapotot teremtettek. Új kutatási munkájuk során a kutatók azon gondolkodtak, vajon a kölcsönhatások történhetnek-e nem csak két, hanem több foton között is. Nyilvánvaló kérdés volt lehet-e több fotont adni egy molekulához, hogy nagyobb és nagyobb dolgokat csináljon?

A fotonok számának és sebességének nyomon követése mellett a csapat mérte a fotonok fázisát, az atomfelhőben való utazás előtt és után. A foton fázisa az oszcilláció frekvenciáját jelzi és megmondja, mennyire szoros kölcsönhatásba léptek egymással. Minél nagyobb a fázis, annál erősebben kötődnek egymáshoz. A csapat megfigyelte, hogy amikor a három foton részecske egyidejűleg lépett ki az atomfelhőből, azok fázisa eltolódott. Ez azt jelenti, hogy ezek a fotonok kölcsönösen kapcsolódnak egymáshoz.

A kutatók kifejlesztettek egy hipotézist is, amely elmagyarázza, mi okozhatta a fotonok interakcióját. 

Fizikai elveken alapuló modelljük forgatókönyve a következő: Egyetlen foton a rubídium atomok felhőjében halad, egy közeli atomra száll, mielőtt egy másik atomra ugrik, mint egy virágzó méh, amíg el nem éri a másikat. Ha egy másik fotont egyidejűleg a felhőn keresztül visznek át, akkor egy rubídium atomon is eltölthet egy időt, ami egy polaritont alkot, ami egy hibrid, amely része a fotonnak, a részatomnak. 

Ezután két polariton kölcsönhatásba léphet egymással az atomi komponensükön keresztül. A felhő szélén az atomok ott maradnak, ahol vannak, míg a még mindig összekapcsolódó fotonok kilépnek. A kutatók azt találták, hogy ez a jelenség három fotonnal is előfordulhat, és még erősebb kötést alkot, mint két foton közötti kölcsönhatás.

Az atomfelhőn belüli teljes kölcsönhatás az egy másodperc milliomod része. Az egymással kölcsönhatásban lévő fotonok, ebben az esetben a köztük lévő kapcsolat révén, erősen korreláltnak vagy összefonódottnak tekinthetők, ami bármely kvantumszámítógép bitjének kulcsjellemzője.

Illusztráció: MIT