fotonul ar putea fi cel mai familiar dintre particulele elementare. Călătorind cu viteza luminii, particulele ne bombardează zilnic de la soare, lună și stele. Timp de mai bine de un secol, oamenii de știință și inginerii le-au valorificat în ansamblu pentru a ilumina orașele noastre și acum, ecranele noastre.cercetătorii de astăzi pot controla fotonii cu mai multă finețe decât oricând. La Institutul Național de standarde și Tehnologie (NIST) din Maryland, fizicianul Paulina Kuo creează și manipulează fotonii individual., Prin iluminarea cristalelor personalizate cu lumină laser în laboratorul ei, Kuo produce fotoni gemeni, pe care îi poate separa în continuare în fotoni unici. Direcționându-le spre anumite materiale, care absorb particula pentru a produce fotoni de diferite culori, ea poate schimba în mod eficient culoarea unui foton păstrând în același timp informațiile codificate în ea.de exemplu, ea a proiectat un cristal pentru a dubla frecvența unui foton de intrare, permițând conversia între lumina roșie și cea infraroșie. „Puteți fuziona doi fotoni împreună sau puteți împărți un foton în două”, spune ea., „Sau chiar procese de ordin superior. Puteți fuziona trei fotoni într-unul sau puteți împărți un foton în trei.”Completând aceste tehnici, ea folosește detectoare de ultimă generație cu un singur foton, realizate din fire supraconductoare care devin nonsuperconductoare atunci când absorb un singur foton. Aceste tipuri de detectoare oferă un număr foarte precis, detectând fotoni cu o eficiență de până la 99%.această tehnologie cu un singur foton va forma coloana vertebrală a unui viitor Internet cuantic, o rețea globală propusă de dispozitive pentru transmiterea datelor codificate în fotoni unici și alte particule cuantice., Aceste date ar fi reprezentate în proprietățile cuantice ale unei particule, cum ar fi polarizarea unui foton. Spre deosebire de clasica date, care poate fi reprezentat ca 0 sau 1, așa-numitele informații cuantice ia pe valorile care sunt ponderate combinații de 0 și 1, care permite nou, potențial mai puternice algoritmi de calcul și noi protocoale de criptare.provocările inginerești abundă pentru Internetul cuantic, cum ar fi probleme cu pierderea semnalului, spune Kuo. Dar cercetătorii—și guvernele lor-au pus planuri ambițioase., În 2016, Uniunea Europeană a început o inițiativă de tehnologii cuantice de 1 miliard de euro. În luna August, SUA au înființat cinci centre de cercetare cuantică pentru accelerarea dezvoltării tehnologiei cuantice cu până la 625 de milioane de dolari promise în următorii cinci ani. Fizicianul Pan Jian-Wei, care a condus lansarea în 2016 a unui satelit chinez de tehnologie cuantică de 100 de milioane de dolari și a proiectelor sale ulterioare, a descris un obiectiv de construire a unui internet cuantic global până în 2030.,mulți experți au numit epoca actuală a tehnologiei cu un singur foton Drept „a doua revoluție cuantică”, o schimbare de paradigmă în care oamenii de știință nu numai că înțeleg principiile contraintuitive ale mecanicii cuantice—încurcarea, suprapunerea și dualitatea particulelor de undă-dar le pot exploata în tehnologii. Fotonul nu mai este doar un obiect de studiu, ci un instrument.

deci, ce este un foton? Kuo dă un răspuns circular. „Un foton este clicul înregistrat de un detector de rezolvare cu un singur foton”, spune ea.

cuvinte mai vagi decât Kuo au fost folosite pentru a descrie fotonul., Este o undă și o particulă de lumină, sau este o cuantizare a câmpului electromagnetic. Sau, „taci și calculează”, o frază familiară oricui a încurcat mecanica cuantică.”puteți avea probleme dacă dați fotonului prea multă realitate”, spune fizicianul Alan Migdall de la NIST.

„oamenii se certau despre asta de peste 100 de ani”, spune fizicianul Aephraim Steinberg de la Universitatea din Toronto. „Nu cred că am ajuns la un consens.”

fizicienii au început să se certe despre foton imediat ce l-au descoperit., Oamenii de știință care au conceput particulele au fost sceptici că au existat fundamental în natură. Pentru a explica altfel date experimentale confuze cu privire la relația temperaturii unui obiect cu radiația emisă, în 1900 fizicianul German Max Planck a propus ca radiația să vină în cantități discrete sau cuante. Sa născut conceptul de foton. Dar Planck nu a înțeles profunzimea ideii sale. El a descris mai târziu descoperirea sa ca fiind „un act de disperare” – un truc nefondat pentru a face matematica să funcționeze.,Albert Einstein, de asemenea, a rezistat implicațiilor teoriei fotonilor pe care a ajutat-o să se dezvolte. El a fost deranjat în special de entanglement, de ideea că două particule pot avea destine interconectate, chiar și atunci când sunt separate unul de celălalt. Teoria presupunea, de exemplu, că dacă măsurați polarizarea unui foton într-o pereche încurcată, veți cunoaște instantaneu și polarizarea celuilalt, chiar dacă cele două particule au fost separate de capetele opuse ale sistemului solar., Entanglement a sugerat că obiectele se pot influența reciproc de la distanță arbitrară, cunoscută sub numele de nonlocalitate, pe care Einstein a ridiculizat-o ca „acțiune înfricoșătoare la distanță.”Preferând o realitate în care obiectele trebuie să fie în proximitate pentru a-și exercita influența unul asupra celuilalt, el credea că teoria mecanicii cuantice era incompletă. „Cu siguranță I-a dat lui Einstein indigestie”, spune Migdall.timp de decenii, argumentele asupra fotonului au fost în mare parte retrogradate pe tărâmul experimentelor de gândire, deoarece era imposibil din punct de vedere tehnologic să testăm aceste idei., Recent, dezbaterea s-a strecurat în comunitatea fizicii mai larg, pe măsură ce sursele și detectoarele cu un singur foton devin mai bune și mai accesibile, potrivit lui Steinberg. „Putem face aceste experimente în loc să le imaginăm doar, ca pisica lui Schrödinger”, spune el.

de exemplu, fizicienii au confirmat toate, dar existența entanglement. Decenii de experimente, cunoscute sub numele de teste ale inegalității lui Bell, indică acum cu tărie că Einstein a greșit—și că universul nostru nu este local.,aceste teste se bazează pe un cadru experimental conceput de fizicianul britanic John Stewart Bell în 1964. În activitatea teoretică, Bell a arătat că, dacă se repetă măsurătorile pe pretins încurcate particule, statisticile ar putea dezvălui dacă fotonii cu adevărat influența reciproc nonlocally, sau dacă un mecanism necunoscut—cunoscut generic ca un local „variabile ascunse”—creează iluzia de acțiune la distanță. În practică, testele au implicat în mare măsură împărțirea perechilor de fotoni încurcați de-a lungul a două căi diferite pentru a măsura polarizările lor la doi detectori diferiți.,
fizicienii au efectuat teste de clopot încă din anii 1970, cu toate experimentele publicate care indică faptul că fotonii pot acționa înfricoșător de la distanță, după cum explică fizicianul David Kaiser de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. Cu toate acestea, în ciuda rezultatelor unanime, aceste experimente timpurii au fost neconcludente: deficiențele tehnologice au însemnat experimentele lor suferite de trei limitări potențiale de proiectare sau lacune.

prima portiță, cunoscută sub numele de portiță de localitate, provine din faptul că cei doi detectori de polarizare sunt prea apropiați., Teoretic, era posibil ca un detector să fi transmis un semnal celuilalt detector chiar înainte de emiterea fotonilor încurcați, influențând rezultatul măsurării la nivel local.

a doua lacună, numită loophole fair sampling, a rezultat din detectoare cu un singur foton de calitate slabă. Experții au susținut că detectoarele ar fi putut prinde un subset părtinitor al fotonilor, distorsionând Statisticile. Dorința de a închide această lacună, spune Migdall, a determinat dezvoltarea unor detectoare cu un singur foton mai bune, aceleași utilizate acum în mod obișnuit în tehnologiile cuantice.,

a treia lacună, lacuna libertății de alegere, este legată de setările detectorului de polarizare. Pentru a obține statistici cu adevărat imparțiale cu privire la un număr mare de măsurători de polarizare, orientarea detectorului de polarizare trebuie resetată aleatoriu pentru fiecare măsurare. Este dificil să se garanteze aleatoriu, cercetătorii resetând cu atenție detectoarele de mână în experimentele timpurii.experimentele recente au închis toate cele trei lacune, deși nu simultan într-un singur test, potrivit Kaiser., În 2015, o echipă condusă de fizicianul Ronald Hanson de la Universitatea de tehnologie Delft a efectuat un test de clopot care a închis pentru prima dată lacunele corecte de eșantionare și localitate, deși folosind electroni încurcați mai degrabă decât fotoni.

publicarea în 2018, o echipă de oameni de știință de la Institutul de științe fotonice din Spania a taxat 100.000 de voluntari să joace un joc video pentru a genera numere aleatorii, pe care oamenii de știință le-au folosit pentru a-și seta detectoarele de testare a clopotului pentru a constrânge lacuna libertății de alegere.,

Kaiser lucrat pe un alt experiment publicat în 2018, numit „Cosmic Bell Test”, care a închis localitate portiță și strâns constrânse libertatea de alegere portiță prin fixarea lor de polarizare detector de orientare folosind un generator de numere aleatoare în funcție de frecvența luminii emise de două stele 600 și 1 900 de ani-lumină distanță, respectiv.

rezultatele susțin puternic nonlocalitatea entanglementului. „Indigestia pe care Einstein a avut—o cu mecanica cuantica-daca ar fi fost astazi, i-ai spune ca va trebui doar sa se ocupe de ea”, spune Migdall.,fizicianul Alexandra Landsman de la Universitatea de Stat din Ohio descrie fotonul ca fiind „un cuantum de energie”, care se aliniază îndeaproape cu concepțiile originale ale Fizicienilor despre particulă. Într-o lucrare din 1905, Einstein a descris lumina ca pachete discrete de energie proporționale cu frecvența sa pentru a explica așa-numitul efect fotoelectric. Oamenii de știință au observat că materialele absorb lumina pentru a scoate electronii, dar numai atunci când frecvența luminii este mai scurtă decât o anumită valoare de prag., Explicația lui Einstein, pentru care a primit Premiul Nobel în 1921, a ajutat la începerea dezvoltării teoriei cuantice.noua tehnologie laser a permis cercetătorilor să revizuiască efectul fotoelectric mai detaliat. Laserele attosecunde, inventate în 2001, furnizează impulsuri de lumină mai puțin de o pătrime de secundă lungă, care permit Fizicienilor să observe acțiunea la scară cuantică ca o cameră cu viteză de declanșare a înregistrării., În special, fizicienii folosesc lasere ultrarapide pentru a cronometra efectul fotoelectric: odată ce un foton afectează un atom sau o moleculă, cât durează electronul pentru a fi ejectat? „Oamenii din trecut au presupus că acest proces se întâmplă instantaneu”, spune Landsman. „Nu a existat nicio modalitate de a aborda această întrebare experimental.în 2010, o echipă condusă de fizicianul Ferenc Krausz, apoi la Universitatea de Tehnologie din Viena, a efectuat un experiment care arată că ejecția electronilor dintr-un atom necesită timp., Deși nu au măsurat timpul absolut, au putut discerne că a durat aproximativ 20 de atosecunde mai mult pentru ca un electron să plece de la orbitalul 2P față de orbitalul 2S al unui atom de neon. Experimentele ulterioare efectuate de alte grupuri au temporizat emisia de electroni în molecule precum apa și oxidul de azot.Landsman, un teoretician, lucrează pentru a înțelege de ce electronii părăsesc anumite molecule mai repede decât alții. Unele molecule, de exemplu, limitează electronul într-un spațiu astfel încât electronul să formeze o undă în picioare., Această condiție, cunoscută sub numele de rezonanță a formei, captează temporar electronul, încetinind evadarea acestuia. În cele din urmă, Landsman vrea să elucideze toți factorii care întârzie atomii și moleculele de la eliberarea electronului la zero în cât timp fotonul și electronul se întâlnesc reciproc. „Aceste experimente ne oferă mai multe informații despre modul în care un foton interacționează cu un electron”, spune ea.cu toate acestea, Zlatko Minev nu crede că un foton este un cuantum de energie. Minev, fizician la IBM, cercetează cum să construiască un computer cuantic., În acest nou context tehnologic, spune el, fotonii par să se manifeste diferit.Minev execută experimente pe circuite realizate din fire supraconductoare care pot fi folosite ca qubiți, care sunt blocuri de calcul cuantic. Aceste circuite sunt concepute pentru a absorbi un singur foton dintr-o energie specificată, unde absorbția unui foton poate reprezenta starea 1 într-un computer cuantic. Odată ce qubitul absoarbe un foton, răspunsul său se schimbă, astfel încât nu va mai absorbi fotonii acelei energii.,ideea convențională a unui foton ca „cuantum de energie” nu se potrivește acestor circuite, spune Minev, care se referă la sisteme ca oscilatoare neliniare cuantice. „Ai putea întreba, ce înseamnă să ai doi fotoni în oscilatorul meu? Sunt două unități de energie?”el spune. „În acest caz, nu este, deoarece fiecare foton suplimentar din oscilator are de fapt o cantitate diferită de energie. Energia nu definește fotonul în acest caz.deci ,cum descrie fotonul? „Nu sunt sigur că vă pot da un răspuns cu o singură propoziție”, spune Minev. „În prezent, îmi reevaluez propria înțelegere.,”În prezent, el crede că fotonul este un „cuantum de acțiune”, unde „acțiune” se referă la o cantitate abstractă care descrie comportamentul permis al sistemului său.pe măsură ce fizicienii reevaluează elementele de bază, aceste noi experimente luminează legătura dintre știința fundamentală și aplicații. Tehnologia Quantum internet a lui Kuo împărtășește strămoși cu hardware-ul utilizat în testele Bell de încurcătură. Studiile lui Minev asupra oscilatorului său neliniar îl ajută să dezvolte metode de corectare a erorilor în computerele cuantice., Cercetarea lui Landsman asupra efectului fotoelectric în molecule poate dezvălui indicii despre proprietățile sale electronice, ceea ce ar putea oferi oamenilor de știință o nouă cale pentru proiectarea materialelor cu specificațiile dorite. Migdall spune că cercetătorii folosesc teste de clopot pentru a verifica aleatoriu în noile modele de generatoare de numere aleatorii care exploatează particule încurcate.totuși, adevărata natură a fotonului eludează fizicienii. „Toți cei cincizeci de ani de gândire conștientă nu m-au adus mai aproape de răspunsul la întrebarea: ce sunt cuantele ușoare ?”Einstein a scris într-o scrisoare din 1951., „Desigur, astăzi, fiecare rascal crede că știe răspunsul, dar se amăgește.”

poate că s-a înșelat în privința încurcăturii, dar încă șapte decenii de gândire colectivă mai târziu, sentimentul încă mai ține.Sophia Chen contribuie la WIRED, știință și fizică. Ea este un scriitor independent cu sediul în Columbus, Ohio.

Bucurați-vă de acest articol?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE