Technologiczny majstersztyk wymagający niezwykłej cierpliwości
Zespół z Uniwersytetu w Tampere jako pierwszy zaobserwował zachowanie momentu pędu orbitalnego na poziomie pojedynczego fotonu. Lea Kopf wraz z kolegami z fińskiej uczelni przeprowadziła eksperyment, który wymagał połączenia najnowocześniejszej technologii z benedyktyńską cierpliwością. Badanie opublikowane w Physical Review Letters wykorzystywało kaskadową spontaniczną konwersję parametryczną – metodę tak złożoną, że jej skuteczność sięgała zaledwie jednej miliardowej. Wyobraźmy sobie sytuację, w której szukamy jednej określonej osoby na całym świecie, bez wiedzy gdzie się znajduje. Mniej więcej tak wyglądało wyzwanie stojące przed naukowcami. Dane zbierano przez pełne 168 godzin dla samej tylko pompy z zerowym momentem pędu orbitalnego. Wymagało to nie tylko specjalistycznej aparatury, ale i laboratoryjnych warunków przypominających niemal sterylne pomieszczenie. Najdrobniejsze drgania czy wahania temperatury mogły zniweczyć efekty wielomiesięcznej pracy.
Czytaj też: Naukowcy złapali elektrony w pułapkę czasu. Samochody na elektronowej autostradzie pod kontrolą fizyków
Naukowcy przetestowali zasadę zachowania dla trzech różnych wartości momentu pędu orbitalnego. W każdym przypadku wartości fotonów wyjściowych idealnie sumowały się do wartości wejściowej, co stanowiło bezpośredni dowód działania fundamentalnego prawa fizyki. Wyniki były bardziej niż przekonujące: około 76% wszystkich detekcji przestrzegało prawa zachowania, a pozostałe rozbieżności wynikały wyłącznie z ograniczeń aparatury pomiarowej. Korelacja między pomiarami różnych typów pomp osiągnęła 99%, co w świecie fizyki eksperymentalnej uznaje się za wynik praktycznie doskonały. Kopf dodaje:
Nasze eksperymenty pokazują, że OAM jest rzeczywiście zachowany, nawet gdy proces jest napędzany przez pojedynczy foton. Potwierdza to kluczowe prawo zachowania na najbardziej fundamentalnym poziomie”.
Co to właściwie oznacza dla fizyki?
Moment pędu orbitalny to właściwość światła związana z jego rotacją. Można to porównać do śruby posiadającej określony skręt. Dotychczas naukowcy obserwowali to zjawisko wyłącznie statystycznie, badając zachowanie milionów fotonów jednocześnie. Teraz po raz pierwszy udało się potwierdzić, iż każdy pojedynczy kwant światła przestrzega tych samych zasad. Choć brzmi to abstrakcyjnie, odkrycie ma bardzo praktyczne implikacje. Fotony niosące moment pędu orbitalny mogą kodować informacje na wielu poziomach równocześnie, zamiast ograniczać się do tradycyjnego systemu binarnego. Gdzie dziś jeden foton przenosi jeden bit danych, w przyszłości mógłby nieść ich znacznie więcej.
W ramach eksperymentu naukowcy zarejestrowali 57 par fotonów na godzinę. To liczba, która laikowi może wydawać się niewielka, lecz w kontekście fizyki kwantowej stanowi imponujący wynik. Szczególnie że przypadkowe zdarzenia występowały średnio tylko raz na godzinę. Profesor Robert Fickler z fińskiego uniwersytetu zauważa, że praca fizyków ma nie tylko fundamentalne znaczenie, ale dodatkowo znacznie przybliża ludzkość do generowania nowatorskich stanów kwantowych, w których fotony są splątane na wszystkie możliwe sposoby. Zespół już planuje kolejne kroki, skupiając się na zwiększeniu wydajności eksperymentu poprzez udoskonalenie kryształów, detektorów i narzędzi pomiarowych. Wstępne pomiary sugerują możliwość występowania splątania kwantowego między fotonami, choć ostateczne potwierdzenie tej hipotezy wymaga jeszcze bardziej precyzyjnych warunków badawczych. Dzięki sukcesom Finów otwierają się perspektywy rozwoju technologii kwantowych. Dokonane odkrycie może doprowadzić do stworzenia kompaktowych źródeł złożonych stanów fotonicznych i zaawansowanych sieci komunikacji kwantowej. Obiecująco wyglądają możliwości zwiększenia przepustowości i bezpieczeństwa transmisji danych.