Физики ТГУ предсказали голограмму квантового состояния фотонного газа

Ученые физического факультета Томского государственного университета (ТГУ) с помощью формул квантовой электродинамики доказали, что даже одиночный фотон может вести себя как среда с диэлектрической проницаемостью, а рассеяние зондирующего фотона на фотонном газе создает голограмму — точный слепок квантового состояния мишени. Фундаментальные закономерности, полученные авторами, можно использовать как новый инструмент квантовой диагностики света.

В основе явления, описанного в работе, лежит «рассеяние света на свете» — один из самых тонких эффектов квантовой электродинамики, предсказанный еще в 1930-х годах и до сих пор не наблюдавшийся в лабораторных условиях.

Вместо того, чтобы измерять крошечное сечение некогерентного рассеяния фотона на фотоне, авторы предлагают сфокусироваться на когерентном вкладе в рассеяние — той части процесса, где интерференция между свободно прошедшей и рассеянной частями волновой функции зондирующего фотона создает голограмму. Этот когерентный вклад, как выясняется, больше на два порядка по постоянной тонкой структуры (то есть приблизительно в 20 000 раз), чем обычное сечение рассеяния света на свете, что делает эффект доступным для наблюдения.

«Голограмма позволяет отследить когерентность состояния фотонного газа. Мы рассмотрели два случая: когерентную и некогерентную решетки фотонов, плотности энергии которых совпадают в момент времени t=0. Расчет показывает, что голограммы в этих случаях оказываются разными. Это означает, что голограмма несет информацию не только о том, сколько фотонов в каждой точке пространства, но и о том, как они когерентно связаны друг с другом», — объяснил один из авторов работы, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Алексей Соколов.

Как поясняют ученые, фотонный газ представляет собой облако фотонов. Исследователи предлагают направлять на него другой, зондирующий фотон и регистрировать результат его рассеяния. В результате возникает голограмма, по которой можно определить, как фотоны распределены в пространстве, как они поляризованы и насколько согласованы между собой состояния фотонов.

Чтобы проверить чувствительность метода, ученые рассчитали голограммы для двух фотонных решеток с одинаковым распределением числа фотонов. В одном случае состояния фотонов были согласованы между собой, а в другом — нет. Несмотря на одинаковое распределение фотонов, голограммы оказались разными. Таким образом, метод позволяет получать сведения не только о количестве фотонов, но и об особенностях их квантового состояния.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации