Niedawne badania, rewolucjonizując nasze rozumienie światła i jego interakcji, zagłębiają się w dziedzinę optyki kwantowej, gdzie nawet interakcja pojedynczej cząstki światła z pojedynczym atomem ujawnia zaskakujące spostrzeżenia. Kiedy światło składające się z tych cząstek świetlnych przemieszcza się w przestrzeni, robi to z prędkością światła. Jednak prędkość ta może się różnić, gdy światło przechodzi przez różne materiały. Zmienność tę przypisuje się współczynnikowi załamania światła, który odpowiada za interakcję między światłem a materiałem. Badając, w jaki sposób pojedyncza cząstka światła oddziałuje z atomem dwupoziomowym, badania te rzucają światło na zachowanie cząstek światła i otwierają nowe możliwości komunikacji kwantowej na duże odległości.
W przełomowym badaniu profesor Yuri Rostovtsev, Jacob Emerick i profesor Anil Patnaik z Uniwersytetu Północnego Teksasu i Instytutu Technologii Sił Powietrznych poczynili znaczący postęp w dziedzinie interakcji światła i atomów. Ich badania, opublikowane w „Results in Optics”, badają interakcję pojedynczej cząstki światła z pojedynczym atomem, co jest zjawiskiem krytycznym dla rozwoju komunikacji kwantowej na duże odległości.
Badania te skupiają się na podstawowych koncepcjach interakcji światła i atomu, w szczególności na sposobie zachowania światła podczas interakcji z pojedynczym atomem. Zrozumienie tej interakcji ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania światła w systemach komunikacji kwantowej. Badanie pokazuje, jak światło nawet na poziomie pojedynczej cząsteczki i atomu światła zmienia swoją ścieżkę i właściwości, które są kluczowe dla przesyłania informacji kwantowej na duże odległości.
Kluczowym aspektem tych badań jest obliczenie różnych prędkości, z jakimi porusza się cząstka światła, oraz szybkości, z jaką może przenosić informację, co ma wpływ na sposób przesyłania i przetwarzania informacji kwantowej. Mówiąc prościej, prędkości te określają szybkość, z jaką informacja przenoszona przez cząstkę światła może przemieszczać się i być przetwarzana w układach kwantowych.
Profesor Jurij Rostowcew wyjaśnia: “Wykazujemy zmianę ścieżki pojedynczej cząstki światła spowodowaną przez pojedynczy atom, którą można wykryć za pomocą interferometru Macha-Zehndera. Takie podejście pozwala nam wprowadzić współczynnik załamania światła dla pojedynczej cząstki światła, która może mieć szeroki zakres zastosowań w polach kwantowych: od informacji kwantowej, obliczeń kwantowych po obrazowanie i ulepszanie mikroskopii oraz komunikację kwantową na duże odległości”.
Ich odkrycia dokonane za pomocą interferometru Macha-Zehndera pokazują zmianę ścieżki pojedynczej cząstki światła spowodowaną przez pojedynczy atom, co stanowi znaczący postęp w zrozumieniu, w jaki sposób współczynnik załamania światła, zwykle stosowany w optyce klasycznej, ma również znaczenie w sferze kwantowej. Odkrycia te mają szerokie zastosowania praktyczne, począwszy od obliczeń kwantowych po zwiększanie możliwości urządzeń takich jak mikroskopy i komunikacja kwantowa na duże odległości.
Dodatkowo profesor Rostowcew podkreśla: “Cząstka światła rozchodząca się w ramieniu z atomem ulega dodatkowej zmianie na swojej drodze w wyniku interakcji z atomem. Zmiana ta zmienia równowagę interferometru MZ i wpływa na prawdopodobieństwo pojawienia się cząstki światła na ścieżce 1. Wpływa to na szansę znalezienia cząstki światła w pustym ramieniu zbalansowanego interferometru ZM. Zmieniając odstrojenie od rezonansu atomowego, obserwujemy, jak uzyskana zmiana ścieżki zależy od rozstrojenie, pokazujące zachowanie zmiany ścieżki podobne do klasycznego zachowania światła”.
Podsumowując, prace Rostowcewa, Emericka i Patnaika oferują znaczący wgląd w interakcje pomiędzy pojedynczymi cząsteczkami światła i atomami, poszerzając naszą wiedzę na temat interakcji światła i atomów oraz kładąc solidne podstawy pod przyszłe postępy w technologiach komunikacji kwantowej.
Odniesienie do czasopisma
Yuri Rostovtsev, Jacob Emerick, Anil Patnaik, „Współczynnik załamania światła pojedynczego atomu doświadczanego przez pojedynczy foton”, Results in Optics, 2023. DOI: 10.1016/j.rio.2023.100568
Kredyt obrazu
Zdjęcie: Ecole Polytechnique via Flickr.
O Autorach
Doktor Jurij Rostowcew jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Północnego Teksasu w Denton w Teksasie, USA, znanym ze swojego wkładu w kwantowe efekty spójne w różnych ośrodkach, począwszy od gazów atomowych i molekularnych, przez ciała stałe, aż po jądro. Tytuł magistra uzyskał w 1983 r. w Moskiewskim Instytucie Fizyki i Technologii w Moskwie, a stopień doktora w 1991 r. w Instytucie Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk w Niżnym Nowogrodzie w Rosji. Po pracy w Instytucie Fizyki Stosowanej im Rosyjska Akademia Nauk od 1983 r. W 2009 r. dr Rostowcew przeniósł się na Uniwersytet Północnego Teksasu, gdzie obecnie pracuje na Wydziale Fizyki i Centrum Nauk Nieliniowych.
Dr Yuri Rostovtsev opublikował ponad 200 artykułów w renomowanych czasopismach, a jego zainteresowania badawcze obejmowały fizykę atomową i molekularną, spektroskopię laserową, spektroskopię Ramana, fizykę laserową, optykę kwantową i nieliniową, lasery na swobodnych elektronach, termodynamikę kwantową, informację kwantową, komputery kwantowe, nanoplazmonikę, nanofotonikę, nanomateriały, superrozdzielczość, wzbudzenia i zjawiska zbiorowe i kooperacyjne. Jest starszym członkiem Amerykańskie Towarzystwo Optyczne. Dr Rostowcew otrzymał nagrodę Medalu Międzynarodowego Stowarzyszenia Materiałów Zaawansowanych (IAAM) za rok 2019 oraz był stypendystą Fulbrighta na lata 2021-2022 (stypendium Fulbrighta w Serbii).
Jakub Emerick jest absolwentem Uniwersytetu Północnego Teksasu w Denton w Teksasie, USA. Prowadzi badania z zakresu optyki kwantowej i nieliniowej badając kwantowe efekty koherentne w różnych ośrodkach. Uzyskał tytuł licencjata na Uniwersytecie Baylor w 2015 r. W 2018 r. pan Emerick został przyjęty na studia podyplomowe na Uniwersytecie Północnego Teksasu, gdzie w 2021 r. z sukcesem uzyskał tytuł magistra. Obecnie aktywnie uczestniczy w badaniach na Wydziale Fizyki i Centrum Nauk Nieliniowych, wykazując się swoim zaangażowaniem w pogłębianie wiedzy w tych dziedzinach.
Doktor Anil Patnaik jest ekspertem w teorii i eksperymentowaniu podstawowych oddziaływań laser-materia, zarówno w sferze reżimu klasycznego, jak i kwantowego, oraz ich zastosowań. Uzyskał tytuł magistra fizyki na Uniwersytecie Utkal w Bhubaneswar w Indiach w 1995 r. (specjalizacja „Fizyka ciała stałego”), a stopień doktora uzyskał w Laboratorium Badań Fizycznych na Wydziale Przestrzeni Kosmicznej w Indiach w 2001 r., Tytuł pracy magisterskiej: „Nowe zjawiska optyczne indukowane przez pola zewnętrzne”. Dr Patnaik był pracownikiem naukowym podoktorskim JSPS na Uniwersytecie Elektrokomunikacji w Tokio, Japonia w latach 2001-2003 oraz pracownikiem naukowym podoktorskim na Uniwersytecie Texas A&M w College Station w Teksasie w latach 2003-2005.
Dr Anil Patnaik jest profesorem nadzwyczajnym fizyki w Instytucie Technologii Sił Powietrznych (AFIT). Jego specjalizacje obejmują szeroki zakres zagadnień z zakresu optyki kwantowej i informacji kwantowej, a także różnorodnych zastosowań interakcji światło-materia. Pracował intensywnie nad zagadnieniami z zakresu optyki kwantowej, optyki nieliniowej i zastosowań, opublikował 50 często cytowanych publikacji w czasopismach, siedem rozdziałów w książkach oraz około 200 zaproszonych wykładów i prezentacji. Jest między innymi autorem dwóch obszernych recenzji na temat zastosowań czujników optycznych. Jedna z nich stała się jedną z najczęściej cytowanych recenzji i uzyskała status 1% najczęściej cytowanych artykułów w czasopismach inżynieryjnych w „web of science”. Dr Patnaik uzyskał stopień doktora. w optyce kwantowej. Piastował kilka stanowisk akademickich i wizytacyjnych w prestiżowych instytucjach, takich jak Princeton University, Texas A&M, Purdue i Max-Planck Institute for Quantum Optics, Garching, Niemcy. Niedawno dr Patnaik otrzymał nagrodę Distinguished Teaching Professor Award na AFIT. Aktywnie współpracował z wieloma stowarzyszeniami zawodowymi, takimi jak Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne, Optica (dawniej Optical Society of America) oraz Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki.
