Μια ομάδα φυσικών δημιούργησε μια νέα μορφή φωτός, που επιτρέπει σε μέχρι τρία φωτόνια να ενωθούν. Η τεχνολογία δεν είναι ακόμη τελείως έτοιμη αλλά θα μπορούσε να είναι θείο δώρο για τους κβαντικούς υπολογιστές φωτονίων. Οι δύο βασικοί ερευνητές του project, ο φυσικός του MIT Vladan Vuletic και ο φυσικός του Χάρβαρντ Mikhail Lukin στο Center for Ultracold Atoms, ένα κοινό εργαστήριο των δύο πανεπιστημίων όπου και πέρασαν τα τελευταία χρόνια προσπαθώντας να κάνουν τα φωτόνια να αλληλεπιδράσουν.
Ένα λέιζερ χρησιμοποιείται στον κβαντικό προσομοιωτή για να παγιδεύει άτομα για τη χειραγώγηση τους
Η πρώτη τους μεγάλη επιτυχία ήταν το 2013, όταν οι ερευνητές κατάφεραν να ενώσουν δύο φωτόνια, για να δημιουργήσουν μια νέα μορφή φωτός – όμως ήθελαν να μάθουν αν αυτό ήταν το όριο στην αλληλεπίδραση των φωτονίων. «Μπορείς να συνδυάσεις μόρια οξυγόνου, για να φτιάξεις O2 και O3, αλλά όχι O4», είπε σε δήλωση ο Vuletic. «Άρα, ήταν ένα ανοιχτό ερώτημα: μπορείς να προσθέσεις φωτόνια σε ένα μόριο, για να κάνεις ολοένα μεγαλύτερα πράγματα»;
Τα περισσότερα σωματίδια αποκτούν μάζα αλληλεπιδρώντας με το πεδίο του Higgs, που είναι ένα πανταχού παρόν ενεργειακό πεδίο. Τα φωτόνια, από την άλλη, δεν αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs και δεν έχουν μάζα – γι’ αυτό δυο φωτόνια μπορούν να περάσουν το ένα μέσα από το άλλο σαν φαντάσματα, αν π.χ. διασταυρώσετε τις ακτίνες δύο φακών.
Για να ενωθούν σαν κανονική ύλη αυτά τα χωρίς μάζα σωματίδια φωτός, ο Vuletic και ο Lukin δημιούργησαν μια πειραματική κατάσταση, που περιλαμβάνει «ρίψη» λέιζερ σε μερικά πολύ κρύα άτομα. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούν ένα σύννεφο από άτομα ρουβιδίου παγωμένα στο ένα εκατομμυριοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Έτσι, τα άτομα ρουβιδίου στο σύννεφο δεν κινούνται σχεδόν καθόλου. Έπειτα, ρίχνουν μια αδύναμη ακτίνα λέιζερ στο υπερπαγωμένο ατομικό σύννεφο, ώστε μόνο λίγα φωτόνια να περνάνε, για να μετρηθούν στην άλλη πλευρά της συσκευής.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα φωτόνια που έβγαιναν από την άλλη μεριά ήταν δυνατά ενωμένα μεταξύ τους σε ομάδες των τριών και είχαν αποκτήσει μια μικρή ποσότητα μάζας (ίση με ένα κλάσμα της μάζας ενός ηλεκτρονίου). Ως αποτέλεσμα, αυτές οι τριπλέτες φωτονίων κινούνταν 100.000 φορές πιο αργά από την ταχύτητα ενός κανονικού φωτονίου, που ταξιδεύει με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Ο Vuletic, ο Lukin και οι συνεργάτες τους, ανέπτυξαν μια θεωρία για το τι το προκάλεσε εξαρχής αυτό το φαινόμενο. Σε αυτό το θεωρητικό μοντέλο, τα φωτόνια περνούν από το ένα άτομο ρουβιδίου στο επόμενο. Ενώ ένα φωτόνιο είναι πάνω σε ένα άτομο ρουβιδίου, μπορεί να δημιουργήσει ένα υβριδικό άτομο-φωτόνιο που ονομάζεται πολαριτόνιο. Αν πολλά πολαριτόνια σχηματιστούν στο σύννεφο, μπορούν να αλληλεπιδράσουν μέσω του στοιχείου του ρουβιδίου που υπάρχει μέσα τους, καθώς τα πολαριτόνια συνεχίζουν να μετακινούνται στο σύννεφο ρουβιδίου. Όταν τα πολαριτόνια φτάνουν στην άκρη του σύννεφου, τα άτομα του ρουβιδίου παραμένουν στο νέφος, ενώ τα ακόμη ενωμένα φωτόνια βγαίνουν. Σύμφωνα με τους ερευνητές, όλη η διαδικασία συμβαίνει μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.
«Είναι κάτι εντελώς καινούργιο, με την έννοια ότι δεν ξέρουμε καν μερικές φορές τι να περιμένουμε» – Vladan Vuletic
Το σημαντικό είναι ότι αυτή η διαδικασία επιτρέπει στα φωτόνια να έχουν αλληλεπίδραση, ενώ αλλιώς δεν θα είχαν. Αυτό που ουσιαστικά τους συμβαίνει ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή, μια διαδικασία απαραίτητη για τον χειρισμό των qubits (κβαντικά bits) στους κβαντικούς υπολογιστές. Οι τριπλέτες φωτονίων που δημιούργησαν οι Vuletic και Lukin είναι μια βελτίωση, όμως, από άλλα qubits φωτονίων, επειδή είναι πολύ πιο ισχυρά δεμένες μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να είναι καλύτεροι φορείς πληροφορίας.
Δεδομένης της εξαιρετικά πειραματικής φύσης της έρευνας των Vuletic και Lukin, θα περάσει πιθανώς λίγος καιρός, προτού να έχει πρακτική εφαρμογή. Μάλιστα, οι ερευνητές είπαν ότι και οι ίδιοι συχνά δεν ξέρουν τι να περιμένουν από τα πειράματά τους. Συνεχίζοντας, είπαν ότι σκοπεύουν να βρουν τρόπους να προκαλέσουν και άλλες αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα φωτόνια, όπως να τα κάνουν να απωθούν το ένα το άλλο.
«Είναι κάτι εντελώς καινούργιο, με την έννοια ότι δεν ξέρουμε καν μερικές φορές τι να περιμένουμε», είπε σε δήλωσή του ο Vuletic. «Με την απώθηση των φωτονίων, μπορεί να σχηματιστεί μια τακτική διάταξη, όπως ένας κρύσταλλος φωτός ή θα συμβεί κάτι άλλο; Είναι εντελώς αχαρτογράφητη περιοχή».
