Na zupełnie nietypowe wiry natknęli się bowiem naukowcy z Instytutu Nauki Weizmanna podczas prac nad wykorzystaniem fotonów do analizowania danych w komputerach kwantowych. W swojej najnowszej pracy naukowcy wskazują, że do powstania mikroskopijnego wiru dochodzi podczas zderzenia dwóch fotonów. Odkrycie to z jednej strony wzbogaca naszą wiedzę o wirach samych w sobie, a z drugiej strony faktycznie może przyczynić się do podniesienia wydajności analizy danych w komputerach kwantowych.
Warto jednak zatrzymać się na chwilę na tych konkretnych zderzeniach. Jakby nie patrzeć, mówimy tutaj bowiem o zderzeniach, czy też właściwie interakcjach między fotonami, a więc cząstkami światła, które jednocześnie zachowują się jak fale. Do takich interakcji nie wystarczą jednak same fotony, ale także materia, która będzie działała dla nich jako tło.
Czytaj także: Zderzyli ze sobą fotony. Efekt przekroczył najśmielsze oczekiwania naukowców
Stworzenie kontrolowanego środowiska do zbadania takich zachowań nie było łatwym zadaniem. Naukowcy stworzyli 10-centymetrową szklaną komorę, w której umieszczono jedynie atomy rubidu, które na dodatek ściśnięto w centrum komory na tyle ciasno, że utworzyły one gęsty obłok o długości 1 milimetra.
W kierunku tak przygotowanego obłoku gazu rubidowego emitowano następnie fotony, których stan badano już po przejściu przez obłok. W swoich badaniach naukowcy sprawdzali, czy wyemitowane fotony wchodziły ze sobą w jakiekolwiek interakcje.
Co robi foton przechodzący przez takie środowisko?
Jak opisują w swojej pracy badacze, foton jest w stanie wzbudzić znajdujące się na jego drodze atomy. Wzbudzenie takie objawia się w tym, że elektrony takiego atomu przechodzą na wyższą orbitę wokół jądra atomowego. Ta orbita jest aż tysiąc razy szersza od orbity elektronu w atomie niewzbudzonym. Tak powstałe pole elektryczne wpływa natychmiast na atomy znajdujące się w jego bezpośrednim otoczeniu. Drugi foton przelatujący odpowiednio blisko tak wzbudzonych atomów zmienia pod ich wpływem swoją prędkość.
Skoro zatem oba fotony przelatują blisko siebie z różnymi prędkościami, mamy sytuację taką samą jak w przypadku mas powietrza lub wody płynących obok siebie. Tam, gdzie stykające się ze sobą masy mają różną prędkość, powstają wiry. Tak samo jest też i w przypadku fotonów.
Czytaj także: Fizycy szukają tajemniczego ciemnego fotonu. Jego położenie wskazuje inna cząstka elementarna
W toku eksperymentów naukowcy zarejestrowali coś niezwykle ciekawego. Dwa fotony przelatujące przez obłok rubidu w odpowiednio małej odległości od siebie wytworzyły parę wirów. W każdym z tych wirów fotony uległy przesunięciu fazowemu o pełne 360 stopni, a w centrum każdego z tych wirów nie znaleziono żadnych fotonów.
Pod koniec serii eksperymentów naukowcy zaobserwowali także interakcje nie tylko dwóch, ale trzech fotonów. W tym przypadku zaobserwowano swoisty trójwymiarowy wir powstały na skutek interakcji wszystkich trzech fotonów. Naukowcy wskazują, że mówimy tutaj o skali i środowisku, z którym na co dzień nie mamy do czynienia. Mimo tego powstające tam wiry przypominają pod każdym względem te, które znamy z naszego otoczenia.
W zaplanowanych już teraz badaniach naukowcy planują zderzać ze sobą fotony, aby badać, jak zachowują się one w takiej sytuacji. Precyzyjne ustalenie zachowania fotonów powinno z czasem umożliwić wykorzystanie ich jako kubitów w komputerach kwantowych, których możliwości rosną z roku na rok.
