foton může být nejznámější z elementárních částic. Při cestování rychlostí světla nás částice denně bombardují ze Slunce, Měsíce a hvězd. Již více než století je vědci a inženýři využívali souhrnně k osvětlení našich měst a nyní našich obrazovek.

vědci dnes mohou ovládat fotony s větší jemností než kdy předtím. Na Národním institutu standardů a technologií (NIST) v Marylandu fyzik Paulina Kuo vytváří a manipuluje fotony individuálně., Osvětlením na míru navržených krystalů laserovým světlem ve své laboratoři produkuje Kuo dvojče fotonů, které může dále oddělit do jednotlivých fotonů. Nasměrovat je k určitým materiálům, které absorbují částice k výrobě fotonů různých barev, může účinně změnit barvu fotonu při zachování informací zakódovaných v něm.

například navrhla krystal pro zdvojnásobení frekvence vstupního fotonu, což umožňuje konverzi mezi červeným a infračerveným světlem. „Můžete spojit dva fotony dohromady, nebo rozdělit jeden foton na dva,“ říká., „Nebo dokonce procesy vyššího řádu. Můžete spojit tři fotony do jednoho nebo rozdělit jeden foton na tři.“Doplňuje tyto techniky a používá nejmodernější jednofotonové detektory, vyrobené ze supravodivých drátů, které se stávají neosupravujícími, když absorbují jeden foton. Tyto typy detektorů poskytují vysoce přesné počty a detekují fotony s až 99% účinností.

tato jednofotonová technologie bude tvořit páteř budoucího kvantového internetu, navrhované globální sítě zařízení pro přenos dat kódovaných v jednotlivých fotonech a dalších kvantových částicích., Tato data by byla reprezentována v kvantových vlastnostech částice, jako je polarizace fotonu. Na rozdíl od klasických dat, který může být zastoupen pouze jako 0 nebo 1, tak-zvané kvantová informace se na hodnoty, které jsou vážené kombinace 0 a 1, což umožňuje nové, potencionálně silnější výpočetní algoritmy a nové šifrovací protokoly.

technické problémy oplývají kvantovým internetem, jako jsou problémy se ztrátou signálu, říká Kuo. Ale vědci – a jejich vlády-položili ambiciózní plány., V roce 2016 zahájila Evropská unie iniciativu kvantových technologií v hodnotě 1 miliardy EUR. Letos v srpnu USA zřídily pět kvantových výzkumných center pro urychlení vývoje kvantové technologie s až 625 miliony dolarů slíbenými v příštích pěti letech. Fyzik Pan Jian-Wei, který vedl 2016 zahájení čínského kvantového technologického satelitu ve výši 100 milionů dolarů a jeho následných projektů, popsal cíl budování globálního kvantového internetu do roku 2030.,

Mnozí odborníci nazvali současné době single-photon technology jako „druhé kvantová revoluce“, paradigmatu, kde vědci nejen pochopit neintuitivní principy kvantové mechaniky—zapletení, superpozice, a vlna-dualita částečky, ale lze je využít v oblasti technologií. Foton již není pouze předmětem studia, ale nástrojem.

Co je tedy foton? Kuo dává kruhovou odpověď. „Foton je kliknutí registrované jedním fotonovým detektorem,“ říká.

Vaguerova slova než Kuo byla použita k popisu fotonu., Je to vlna a částice světla, nebo je to kvantizace elektromagnetického pole. Nebo,“ Sklapni a Spočítej, “ fráze známá každému, kdo se zmátl nad kvantovou mechanikou.

“ můžete se dostat do potíží, pokud dáte fotonu příliš mnoho reality, “ říká fyzik Alan Migdall z NIST.

„lidé se o tom hádají 100 plus let,“ říká fyzik Aephraim Steinberg z University of Toronto. „Nemyslím si, že jsme dospěli ke shodě.“

fyzici se začali hádat o fotonu, jakmile ho objevili., Samotní vědci, kteří pojali částice, byli skeptičtí, že v přírodě zásadně existují. Vysvětlit jinak matoucí experimentální údaje ohledně vztahu objektu je teplota na jeho emitovaného záření, v roce 1900 německý fyzik Max Planck navrhuje, že záření přichází v diskrétních množstvích, nebo quanta. Zrodil se koncept fotonu. Planck však nechápal hojnost svého nápadu. Později popsal svůj průlom jako „akt zoufalství“ – nepodložený trik, jak matematiku vyřešit.,

Albert Einstein také odolal důsledkům fotonové teorie, kterou pomáhal rozvíjet. On byl zvláště vadí zápletka, myšlenka, že dvě částice může mít propletené osudy, i když jsou od sebe daleko od sebe. Teorie implicitní, například, že pokud budete měřit polarizaci jednoho fotonu v spleteného páru, ty by se okamžitě také vědět, polarizace ostatní, i když dvě částice byly odděleny na opačných koncích sluneční soustavy., Zapletení naznačovalo, že objekty se mohou navzájem ovlivňovat libovolně daleko, známý jako nelokalita, což Einstein vysmíval jako „strašidelná akce na dálku.“Upřednostňoval realitu, kde musí být objekty v blízkosti, aby na sebe měly vliv, věřil, že teorie kvantové mechaniky je neúplná. „Určitě to dalo Einsteinovi zažívací potíže,“ říká Migdall.

po celá desetiletí byly argumenty o fotonu do značné míry odsunuty do sféry myšlenkových experimentů, protože bylo technologicky nemožné tyto myšlenky otestovat., V poslední době, diskuse se vetřely do fyziky společenství, obecněji, jako jedno-fotonové zdroje a detektory lépe a více široce dostupné, podle Steinberg. „Tyto experimenty můžeme dělat místo toho, abychom si je jen představovali, jako Schrödingerova kočka,“ říká.

například fyzici potvrdili existenci zapletení. Desetiletí experimentů, známých jako testy Bellovy nerovnosti, nyní silně naznačují, že Einstein se mýlil-a že náš vesmír je nelokální.,

tyto testy jsou založeny na experimentálním rámci navrženém britským fyzikem Johnem Stewartem Bellem v roce 1964. V teoretické práci, Bell ukázal, že pokud budete opakovat měření na údajně provázaných částic, statistiky může odhalit, zda fotony skutečně navzájem ovlivňují nonlocally, nebo pokud neznámý mechanismus, známý obecně jako „místní skryté proměnné“—vytváří iluzi působení na dálku. V praxi testy do značné míry zahrnovaly rozdělení párů zapletených fotonů podél dvou různých cest k měření jejich polarizace na dvou různých detektorech.,
Fyzikové prováděli Bell testů od roku 1970, se všechny publikované experimenty s uvedením fotony mohou strašidelně působí z dálky jako fyzik David Kaiser z Massachusetts Institute of Technology vysvětluje. Nicméně, navzdory jednomyslným výsledkům, tyto rané experimenty byly neprůkazné: technologické nedostatky znamenaly, že jejich experimenty trpěly třemi potenciálními konstrukčními omezeními nebo mezerami.

první mezera, známá jako mezera lokality, vyplývá ze dvou polarizačních detektorů, které jsou příliš blízko u sebe., Teoreticky je možné, že jeden detektor mohl předávat signál do dalších detektor těsně před provázané fotony jsou emitovány, které ovlivňují výsledek měření na místě.

druhá mezera, nazývaná mezera spravedlivého odběru vzorků, vyplynula z nekvalitních jednofotonových detektorů. Odborníci tvrdili, že detektory mohly zachytit zkreslenou podmnožinu fotonů, což zkreslilo statistiky. Touha zacelit tuto mezeru, říká Migdall, vývoj lepší single-fotonové detektory, stejný nyní používá běžně v kvantové technologie.,

třetí mezera, mezera volby svobody, souvisí s nastavením polarizačního detektoru. Aby se skutečně nestranné statistiky na velkém počtu měření polarizace, orientační polarizace detektor musí být náhodně reset pro každé měření. Je obtížné zaručit náhodnost, přičemž vědci pečlivě resetují detektory ručně v raných experimentech.

nedávné experimenty uzavřely všechny tři mezery, i když ne současně v jednom testu, podle Kaisera., V roce 2015, tým vedený fyzik Ronald Hanson na Delft University of Technology provedl Bell test, který uzavřel fair vzorků a lokalitě mezery pro první čas, byť pomocí provázané elektrony, spíše než fotony.

Publikování v roce 2018, tým vědců v Ústavu Fotoniky Věd ve Španělsku účtován 100 000 dobrovolníků, hrát video hry pro generování náhodných čísel, které vědci použili k nastavení jejich Zvonek test detektorů omezit svobodu volby mezera.,

Kaiser pracoval na jiném pokus publikoval v roce 2018, daboval „Kosmické Bell Test“, který uzavřel lokalitě mezeru a pevně omezen na svobodě volby mezera nastavením jejich polarizace detektor orientace pomocí generátoru náhodných čísel na základě frekvence emitovaného světla ze dvou hvězd, 600 a 1 900 světelných let daleko, v tomto pořadí.

výsledky silně podporují nelokalitu zapletení. „Zažívací potíže, které měl Einstein s kvantovou mechanikou—kdyby byl dnes, řekl byste mu, že by se s tím musel vypořádat,“ říká Migdall.,

Fyzika Alexandra Landsman z Ohio State University popisuje foton jako „kvantová energie“, který slaďuje úzce s fyzici původní pojetí částic. V článku z roku 1905 popsal Einstein světlo jako diskrétní pakety energie úměrné jeho frekvenci, aby vysvětlil takzvaný fotoelektrický efekt. Vědci pozorovali, že materiály absorbují světlo k vysunutí elektronů, ale pouze tehdy, když je frekvence světla kratší než nějaká prahová hodnota., Einsteinovo vysvětlení, za které získal Nobelovu cenu v roce 1921, pomohlo nastartovat vývoj kvantové teorie.

nová laserová technologie umožnila vědcům podrobněji přezkoumat fotoelektrický efekt. Attosecond lasery, vynalezl v roce 2001, poskytovat pulsy světla, méně než quadrillionth druhé dlouhé, které umožňují fyzikové pozorovat kvantové měřítku akce, jako je fotoaparát s rekordní rychlost závěrky., Zejména fyzici používají ultrarychlé lasery k dosažení fotoelektrického efektu: jakmile foton zasáhne atom nebo molekulu, jak dlouho trvá, než se elektron vysune? „Lidé v minulosti předpokládali, že k tomuto procesu dochází okamžitě,“ říká Landsman. „Neexistoval způsob, jak tuto otázku řešit experimentálně.“

V roce 2010, tým vedený fyzikem Ferenc Krausz, pak na Vienna University of Technology, provedl experiment ukazuje, že elektron vyhození z atomu nějakou dobu trvá., I když neměřili absolutní čas, mohli rozeznat, že trvalo asi 20 attosekund déle, než elektron odešel z 2p orbitalu oproti 2S orbitalu neon atomu. Následné experimenty jiných skupin načasovaly emise elektronů v molekulách, jako je voda a oxid dusný.

Landsman, teoretik, pracuje na tom, aby pochopil, proč elektrony opouštějí určité molekuly rychleji než ostatní. Některé molekuly například omezují elektron na prostor tak, že elektron tvoří stálou vlnu., Tento stav, známý jako tvarová rezonance, dočasně zachycuje elektron a zpomaluje jeho únik. Nakonec, Landsman chce objasnit všechny faktory, které zpožďují atomy a molekuly od uvolnění elektronu k nule, jak dlouho se foton a elektron setkávají. „Tyto experimenty nám dávají větší přehled o tom, jak foton interaguje s elektronem,“ říká.

Zlatko Minev si však nemyslí, že foton je kvantum energie. Minev, fyzik IBM, zkoumá, jak vytvořit kvantový počítač., V tomto novém technologickém kontextu se podle něj fotony projevují jinak.

Minev provádí experimenty na obvodech z supravodivých vodičů, které lze použít jako qubity, které jsou stavebními kameny kvantových počítačů. Tyto obvody jsou navrženy tak, aby absorbovaly jediný foton specifikované energie, kde absorpce fotonu může představovat stav 1 v kvantovém počítači. Jakmile qubit absorbuje jeden foton, jeho reakce se změní, takže již nebude absorbovat fotony této energie.,

konvenční myšlenka fotonu jako“ kvantové energie “ neodpovídá těmto obvodům, říká Minev, který označuje systémy jako kvantové nelineární oscilátory. „Můžete se zeptat, co to znamená mít dva fotony v mém oscilátoru? Jsou to dvě jednotky energie?“říká. „V tomto případě to není, protože každý další foton v oscilátoru má ve skutečnosti jiné množství energie. Energie v tomto případě nedefinuje foton.“

tak jak popisuje foton? „Nejsem si jistý, zda vám mohu odpovědět jednou větou,“ říká Minev. „V současné době přehodnocuji své vlastní porozumění.,“V současné době si myslí, že foton je“ kvantum akce“, kde“ akce “ odkazuje na abstraktní množství popisující povolené chování jeho systému.

jak fyzici přehodnocují základy, tyto nové experimenty osvětlují spojení mezi základní vědou a aplikacemi. Kvantová internetová technologie Kuo sdílí původ s hardwarem používaným v Bellových testech zapletení. Minevovy studie jeho nelineárního oscilátoru mu pomáhají vyvinout metody k nápravě chyb v kvantových počítačích., Landsman je výzkum fotoelektrického jevu v molekuly mohou odhalit stopy o jeho elektronické vlastnosti, které by mohly poskytnout vědcům nové avenue pro navrhování materiálů s požadovanou specifikací. Migdall říká, že vědci používají Bell testy k ověření náhodnosti v nových modelech generátorů náhodných čísel, které využívají zapletené částice.

skutečná povaha fotonu přesto fyzikům uniká. „Všech padesát let vědomé napjatý mě přivedl blíže k odpovědi na otázku: Jaké jsou kvanta světla?“Einstein napsal v dopise z roku 1951., „Samozřejmě, že dnes si každý darebák myslí, že zná odpověď, ale klamá sám sebe.“

možná se mýlil v zapletení, ale o sedm dalších desetiletí kolektivního rozkvětu později, sentiment stále platí.

Sophia Chen přispívá k kabelové, Věda, a fyzika dívka. Je spisovatelkou na volné noze se sídlem v Columbusu v Ohiu.

Užijte si tento článek?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE