Foton może być najbardziej znanym z cząstek elementarnych. Podróżując z prędkością światła, cząstki bombardują nas codziennie od słońca, księżyca i gwiazd. Od ponad wieku naukowcy i inżynierowie wykorzystują je w całości, aby oświetlić nasze miasta, a teraz nasze ekrany.

dzisiejsi naukowcy mogą kontrolować fotony z większą finezją niż kiedykolwiek wcześniej. W National Institute of Standards and Technology (NIST) w Maryland fizyczka Paulina Kuo tworzy i manipuluje fotonami indywidualnie., Dzięki oświetleniu specjalnie zaprojektowanych kryształów światłem laserowym w swoim laboratorium, Kuo produkuje podwójne fotony, które może dalej rozdzielić na pojedyncze fotony. Kierując je w kierunku pewnych materiałów, które absorbują cząstkę, aby wytworzyć fotony o różnych kolorach, może skutecznie zmienić kolor fotonu, zachowując zakodowane w nim informacje.

na przykład zaprojektowała kryształ, aby podwoić częstotliwość wejściowego fotonu, umożliwiając konwersję między światłem czerwonym i podczerwonym. „Możesz połączyć ze sobą dwa fotony lub podzielić jeden Foton na dwa”, mówi., „Lub nawet procesy wyższego rzędu. Możesz połączyć trzy fotony w jeden lub podzielić jeden Foton na trzy.”Uzupełniając te techniki, wykorzystuje najnowocześniejsze detektory pojedynczych fotonów, wykonane z drutów nadprzewodzących, które stają się nieuprzewodzące, gdy pochłaniają pojedynczy Foton. Tego typu detektory zapewniają bardzo dokładne obliczenia, wykrywając fotony z wydajnością do 99%.

ta technologia pojedynczego fotonu będzie stanowić trzon przyszłego Internetu kwantowego, proponowanej globalnej sieci urządzeń do przesyłania danych zakodowanych w pojedynczych fotonach i innych cząstkach kwantowych., Dane te byłyby reprezentowane w kwantowych właściwościach cząstki, takich jak polaryzacja fotonu. W przeciwieństwie do klasycznych danych, które mogą być reprezentowane tylko jako 0 LUB 1, tak zwana informacja kwantowa przyjmuje wartości, które są ważonymi kombinacjami 0 i 1, co umożliwia nowe, potencjalnie potężniejsze algorytmy obliczeniowe i nowe protokoły szyfrowania.

wyzwania inżynierskie obfitują w Internet kwantowy, takie jak problemy z utratą sygnału, mówi Kuo. Ale naukowcy—i ich rządy-mają ambitne plany., W 2016 r. Unia Europejska rozpoczęła inicjatywę na rzecz technologii kwantowych o wartości 1 mld euro. W sierpniu tego roku Stany Zjednoczone utworzyły pięć kwantowych centrów badawczych w celu przyspieszenia rozwoju technologii kwantowych z maksymalnie 625 milionów dolarów obiecanych w ciągu najbliższych pięciu lat. Fizyk Pan Jian-Wei, który stał na czele uruchomienia w 2016 roku chińskiego satelity technologii kwantowej o wartości 100 milionów dolarów i jego kolejnych projektów, opisał cel budowy globalnego Internetu kwantowego do 2030 roku.,

Wielu ekspertów nazwało obecną erę technologii pojedynczego fotonu „drugą rewolucją kwantową”, zmianą paradygmatu, w której naukowcy nie tylko rozumieją przeciwstawne zasady mechaniki kwantowej-splątanie, superpozycję i dualność falowo—cząsteczkową-ale mogą je wykorzystać w technologiach. Foton nie jest już tylko przedmiotem badań, ale narzędziem.

czym zatem jest Foton? Kuo daje kolistą odpowiedź. „Foton to klik rejestrowany przez detektor rozdzielający jeden Foton” – mówi.

, To fala i cząstka światła, albo kwantyzacja pola elektromagnetycznego. Albo „Zamknij się i Oblicz”, zdanie znane każdemu, kto zastanawiał się nad mechaniką kwantową.

„możesz mieć kłopoty, jeśli oddasz fotonowi zbyt dużo rzeczywistości”, mówi fizyk Alan Migdall z NIST.

„ludzie kłócą się o to od ponad 100 lat” – mówi fizyk aephraim Steinberg z Uniwersytetu w Toronto. „Myślę, że nie doszliśmy do konsensusu.”

fizycy zaczęli kłócić się o Foton, gdy tylko go odkryli., Naukowcy, którzy wymyślili cząstki, byli sceptyczni, że Zasadniczo istnieją w przyrodzie. W 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck zaproponował, że promieniowanie występuje w dyskretnych wielkościach, czyli kwantach. Narodziła się koncepcja fotonu. Ale Planck nie rozumiał głębi swojego pomysłu. Później opisał swój przełom jako „akt desperacji” —bezpodstawną sztuczkę, aby matematyka się sprawdziła.,

Albert Einstein również oparł się implikacjom teorii fotonów, które pomógł rozwinąć. Szczególnie przeszkadzało mu splątanie, idea, że dwie cząstki mogą splatać losy, nawet jeśli są oddalone od siebie daleko. Teoria zakładała na przykład, że jeśli zmierzysz polaryzację jednego fotonu w splątanej parze, natychmiast poznasz również polaryzację drugiego, nawet jeśli dwie cząstki zostały rozdzielone na przeciwne końce układu słonecznego., Splątanie sugerowało, że obiekty mogą wpływać na siebie z arbitralnie daleka, znana jako nonlokalność, którą Einstein wyśmiewał jako ” upiorne działanie na odległość.”Preferując rzeczywistość, w której obiekty muszą znajdować się w pobliżu, aby wywierać na siebie wpływ, uważał, że teoria mechaniki kwantowej jest niekompletna. „To z pewnością dało Einsteinowi niestrawność”, mówi Migdall.

przez dziesięciolecia argumenty na temat fotonu były w dużej mierze spychane do sfery eksperymentów myślowych, ponieważ testowanie tych pomysłów było technicznie niemożliwe., W ostatnim czasie debata ta przeniknęła do środowiska fizyki szerzej, ponieważ według Steinberga źródła i detektory pojedynczych fotonów stają się lepsze i bardziej dostępne. „Możemy robić te eksperymenty, zamiast tylko je sobie wyobrażać, jak kot Schrödingera”, mówi.

na przykład fizycy potwierdzili istnienie splątania. Dziesiątki lat eksperymentów, znanych jako testy nierówności Bella, teraz mocno wskazują, że Einstein się mylił—i że nasz wszechświat jest nielokalny.,

testy te są oparte na ramie eksperymentalnej opracowanej przez brytyjskiego fizyka Johna Stewarta Bella w 1964 roku. W pracy teoretycznej Bell wykazał, że jeśli powtórzy się pomiary na rzekomo splątanych cząstkach, statystyki mogą ujawnić, czy fotony naprawdę wpływają na siebie nielokalnie, lub czy nieznany mechanizm—znany ogólnie jako „lokalna ukryta zmienna” – tworzy iluzję działania na odległość. W praktyce testy w dużej mierze polegały na rozdzieleniu par splątanych fotonów wzdłuż dwóch różnych ścieżek w celu zmierzenia ich polaryzacji w dwóch różnych detektorach.,
fizycy od lat 70. przeprowadzają testy Bell' a.wszystkie opublikowane eksperymenty wskazują, że fotony mogą działać z dystansu, jak wyjaśnia fizyk David Kaiser z Massachusetts Institute of Technology. Jednak pomimo jednomyślnych wyników, te wczesne eksperymenty były niejednoznaczne: braki technologiczne oznaczały, że ich eksperymenty cierpiały z powodu trzech potencjalnych ograniczeń projektowych lub luk.

pierwsza Luka, znana jako Luka lokacyjna, wynika z tego, że dwa detektory polaryzacyjne są zbyt blisko siebie., Teoretycznie możliwe było, że jeden detektor mógł przekazać sygnał do drugiego detektora tuż przed emisją splątanych fotonów, wpływając lokalnie na wynik pomiaru.

druga Luka, zwana luką fair sampling, wynikała ze słabej jakości detektorów pojedynczych fotonów. Eksperci twierdzili, że detektory mogły wychwycić tendencyjny podzbiór fotonów, przekrzywiając statystyki. Chęć zamknięcia tej luki, mówi Migdall, napędzała rozwój lepszych detektorów jednopotonowych, które są obecnie rutynowo stosowane w technologiach kwantowych.,

trzecia Luka, Luka swobodnego wyboru, związana jest z ustawieniami detektora polaryzacyjnego. Aby uzyskać naprawdę bezstronne statystyki dotyczące dużej liczby pomiarów polaryzacji, orientacja detektora polaryzacji musi być losowo resetowana dla każdego pomiaru. Trudno jest zagwarantować losowość, a naukowcy pieczołowicie resetują detektory ręcznie we wczesnych eksperymentach.

Ostatnie eksperymenty zamknęły wszystkie trzy luki, choć nie jednocześnie w jednym teście, według Kaisera., W 2015 roku zespół kierowany przez fizyka Ronalda Hansona z Uniwersytetu Technicznego w Delft przeprowadził test dzwonka, który po raz pierwszy zamknął luki w pobieraniu próbek i lokalizowaniu, choć przy użyciu splątanych elektronów, a nie fotonów.

Publishing w 2018 roku zespół naukowców z Instytutu Nauk fotonicznych w Hiszpanii pobrał 100 000 ochotników do gry wideo w celu wygenerowania losowych liczb, które naukowcy wykorzystali do Ustawienia swoich detektorów testowych dzwonów, aby ograniczyć lukę w wolności wyboru.,

Kaiser pracował nad innym eksperymentem opublikowanym w 2018 roku, nazwanym „testem kosmicznego dzwonu”, który zamknął lukę miejscowościową i mocno ograniczył lukę swobody wyboru, ustawiając orientację detektorów polaryzacyjnych za pomocą generatora liczb losowych na podstawie częstotliwości światła emitowanego z dwóch gwiazd oddalonych odpowiednio o 600 i 1900 lat świetlnych.

wyniki zdecydowanie przemawiają za nielokalnością splątania. „Niestrawność, którą Einstein miał z mechaniką kwantową-gdyby był dzisiaj w pobliżu, powiedziałbyś mu, że musiałby sobie z tym poradzić”, mówi Migdall.,

fizyk Alexandra Landsman z Ohio State University opisuje Foton jako „kwant energii”, który jest ściśle zgodny z oryginalnymi koncepcjami fizyków cząstek. W pracy z 1905 roku Einstein opisał światło jako dyskretne Pakiety energii proporcjonalne do jego częstotliwości w celu wyjaśnienia tzw. efektu fotoelektrycznego. Naukowcy zaobserwowali, że materiały pochłaniają światło, aby wyrzucać elektrony, ale tylko wtedy, gdy częstotliwość światła jest krótsza niż pewna wartość progowa., Wyjaśnienie Einsteina, za które otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku, pomogło zapoczątkować rozwój teorii kwantowej.

nowa technologia laserowa umożliwiła badaczom bardziej szczegółowe omówienie efektu fotoelektrycznego. Lasery atosekundowe, wynalezione w 2001 roku, dostarczają impulsy światła o długości mniejszej niż kwadrylionowa część sekundy, które pozwalają fizykom obserwować działanie w skali kwantowej, jak kamera z rekordowym czasem otwarcia migawki., W szczególności fizycy używają ultraszybkich laserów do pomiaru efektu fotoelektrycznego: kiedy Foton uderzy w atom lub cząsteczkę, jak długo trwa wyrzucanie elektronu? „Ludzie w przeszłości zakładali, że ten proces dzieje się natychmiastowo”, mówi Landsman. „Nie było sposobu, aby rozwiązać to pytanie eksperymentalnie.”

w 2010 roku zespół kierowany przez fizyka Ferenca Krausza, wówczas na Politechnice Wiedeńskiej, przeprowadził eksperyment pokazujący, że wyrzut elektronów z atomu wymaga czasu., Chociaż nie mierzyli czasu absolutnego, mogli zauważyć, że minęło około 20 attosekund dłużej, aby elektron opuścił orbital 2P w porównaniu z orbitalem 2S atomu neonu. Kolejne eksperymenty innych grup miały czas emisji elektronów w cząsteczkach, takich jak woda i podtlenek azotu.

Landsman, teoretyk, pracuje nad zrozumieniem, dlaczego elektrony opuszczają pewne cząsteczki szybciej niż inne. Niektóre cząsteczki, na przykład, ograniczają elektron do przestrzeni takiej, że elektron tworzy falę stojącą., Stan ten, znany jako rezonans kształtu, tymczasowo zatrzymuje elektron, spowalniając jego ucieczkę. Ostatecznie Landsman chce wyjaśnić wszystkie czynniki, które opóźniają atomy i cząsteczki od uwolnienia elektronu do zera w jak długo Foton i elektron stykają się ze sobą. „Te eksperymenty dają nam więcej wglądu w to, jak Foton wchodzi w interakcję z elektronem”, mówi.

Zlatko Minev nie uważa jednak, że foton jest kwantem energii. Minev, fizyk w IBM, bada, jak zbudować komputer kwantowy., W tym nowym technologicznym kontekście, jak mówi, fotony wydają się manifestować inaczej.

Minev prowadzi eksperymenty na obwodach wykonanych z drutów nadprzewodzących, które mogą być używane jako kubity, będące budulcem komputerów kwantowych. Układy te są przeznaczone do pochłaniania pojedynczego fotonu o określonej energii, gdzie absorpcja fotonu może reprezentować stan 1 w komputerze kwantowym. Gdy Kubit pochłonie jeden Foton, jego reakcja zmienia się, tak że nie będzie już absorbował fotonów tej energii.,

konwencjonalna idea fotonu jako „kwantu energii” nie pasuje do tych obwodów, mówi Minev, który odnosi się do układów jako kwantowych nieliniowych oscylatorów. „Można zapytać, co to znaczy mieć dwa fotony w moim oscylatorze? Czy to dwie jednostki energii?”mówi. „W tym przypadku tak nie jest, ponieważ każdy dodatkowy Foton w oscylatorze ma inną ilość energii. Energia nie definiuje fotonu w tym przypadku.”

jak opisuje Foton? „Nie jestem pewien, czy mogę dać ci odpowiedź w jednym zdaniu” -mówi Minev. „Obecnie ponownie oceniam moje własne zrozumienie.,”Obecnie uważa, że foton jest „kwantem działania”, gdzie” działanie ” odnosi się do abstrakcyjnej ilości opisującej dozwolone zachowanie jego układu.

gdy fizycy ponownie oceniają podstawy, te nowe eksperymenty oświetlają związek między nauką podstawową a zastosowaniami. Kwantowa technologia internetowa Kuo dzieli przodków ze sprzętem używanym w testach Bell splątania. Badania nieliniowego oscylatora mineva pomagają mu opracować metody korygowania błędów w komputerach kwantowych., Badania landsmana nad efektem fotoelektrycznym w cząsteczkach mogą ujawnić wskazówki na temat jego właściwości elektronicznych, co może ostatecznie zapewnić naukowcom nową drogę do projektowania materiałów o pożądanych specyfikacjach. Migdall twierdzi, że naukowcy używają testów Bell do weryfikacji losowości w nowych modelach generatorów liczb losowych, które wykorzystują splątane cząstki.

jednak prawdziwa natura fotonu umyka fizykom. „Wszystkie pięćdziesiąt lat świadomego rozmyślania nie zbliżyło mnie do odpowiedzi na pytanie: Czym są kwanty światła?”Einstein napisał w liście z 1951 roku., „Oczywiście dzisiaj każdy łajdak myśli, że zna odpowiedź, ale sam się łudzi.”

może się mylił co do uwikłania, ale siedem kolejnych dekad zbiorowego rozmyślania później, sentyment nadal trwa.

Jest niezależną pisarką mieszkającą w Columbus w stanie Ohio.

ciesz się tym artykułem?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE