Predstavte si šachtu žltého slnečného svetla vyžarujúcu cez okno. Kvantová fyzika nám hovorí, že lúč je vyrobený z miliónov malých balíčkov svetla, nazývaných fotóny, prúdiacich vzduchom. Ale ako vyzerá individuálny fotón? Má tvar? Sú tieto otázky vôbec zmysluplné?
Poľskí fyzici vytvorili vôbec prvý hologram jedinej svetelnej častice. Tento výkon, dosiahnutý pozorovaním interferencie dvoch pretínajúcich sa svetelných lúčov, je dôležitým pohľadom na základnú kvantovú povahu svetla.
Výsledok by mohol byť dôležitý aj pre technológie, ktoré vyžadujú pochopenie tvaru jednotlivých fotónov, ako je kvantová komunikácia a kvantové počítače.
”Vykonali sme relatívne jednoduchý experiment na meranie a zobrazenie niečoho neuveriteľne ťažko pozorovateľného: tvaru vlnoplochy jedného fotónu, hovorí Radoslaw Chrapkiewicz, fyzik z Varšavskej univerzity a hlavný autor nového článku publikovaného v Príroda Fotonika.
Stovky rokov fyzici pracujú na tom, aby zistili z čoho je vyrobené svetlo. V 19 storoči sa zdalo, že diskusiu vyriešil škótsky fyzik James Clerk Maxwell, ktorý opísal svetlo ako vlna elektromagnetizmu.
Ale veci sa na prelome 20.storočia trochu skomplikovali, keď nemecký fyzik Max Planck, krajan Alberta Einsteina, ukázal, že svetlo sa skladá z malých nedeliteľných balíčkov nazývaných fotóny.
V 20. rokoch 20. storočia tieto myšlienky rozpracoval rakúsky fyzik Erwin Schrödinger s jeho rovnicou pre kvantovú vlnovú funkciu opísal, ako vyzerá vlna, ktorá sa ukázala ako neuveriteľne silná pri predpovedaní výsledkov experimentov s fotónmi. Ale napriek úspechu Schrödingerovej teórie fyzici stále diskutujú o tom, čo vlnová funkcia naozaj znamená.
Fyzici z Varšavskej univerzity po prvýkrát zmerali tvar opísaný Schrödingerovou rovnicou v skutočnom experimente.
Fotóny, ktoré sa pohybujú ako vlny, ak interagujú v kroku s rovnakou fázou, vytvárajú jasný signál. Ak sú mimo fázy, navzájom sa rušia. Je to ako zvukové vlny z dvoch reproduktorov produkujúcich hlasné a tiché záplaty v miestnosti.
Obraz, ktorý sa nazýva hologram, pretože obsahuje informácie o tvare fotónu aj o fáze, bol vytvorený vypálením dvoch svetelných lúčov na rozdeľovač lúčov, vyrobený z kryštálu kalcitu, súčasne.
Rozdeľovač lúčov pôsobí trochu ako dopravná križovatka, kde každý fotón môže prejsť buď priamo, alebo odbočiť. Experiment poľského tímu závisel od merania, ktorou cestou sa každý fotón vydal, čo závisí od tvaru ich vlnových funkcií.
Schéma experimentálneho nastavenia na meranie hologramov jednotlivých fotónov.
Pre fotón sám o sebe je každá cesta rovnako pravdepodobná. Ale keď sa dva fotóny priblížia ku križovatke, interagujú – a tieto šance sa zmenia.
Tím si uvedomil, že ak poznajú vlnovú funkciu jedného z fotónov, dokážu zistiť tvar druhého z pozícií zábleskov objavujúcich sa na detektore.
Je to trochu ako vystreliť dve guľky, aby sme sa navzájom pozreli vo vzduchu a pomocou vychýlených trajektórií sme zistili tvár každého projektilu.
Každý priebeh experimentu vyvolal dva záblesky na detektore, jeden pre každý fotón. Po viac ako 2000 opakovaniach sa vytvoril vzor zábleskov a tím bol schopný zrekonštruovať tvar vlnovej funkcie neznámeho fotónu.
Výsledný obraz: fotón vyzerá trochu ako rytierský kríž, rovnako ako vlnová funkcia predpovedaná zo Schrödingerovej rovnice. V ramenách kríža, kde boli fotóny v kroku, je obraz jasný, a kde neboli, vidíme tmu.
Experiment nás “približuje o krok bližšie k pochopeniu toho, čo vlnová funkcia v skutočnosti je,” hovorí Michal Jachura, ktorý je spoluautorom diela, a mohlo by byť novým nástrojom na štúdium interakcie medzi dvoma fotónmi, na ktoré sa spoliehajú technológie ako kvantová komunikácia a niektoré verzie kvantových výpočtov.
Výskumníci tiež dúfajú, že znovu vytvoria vlnové funkcie zložitejších kvantových objektov, ako sú atómy.
“Je pravdepodobné, že skutočné aplikácie kvantovej holografie sa ešte niekoľko desaťročí neobjavia”, hovorí Konrad Banaszek, ktorý bol tiež súčasťou tímu, „ale ak je niečo, môžeme si byť istí, že budú prekvapujúce.”
…že by naše predkovia už vtedy vedeli symbolom čoho je rovnoramenný kríž ?!…
ZDROJ: Objavené v útrobách internetu
