Για πρώτη φορά, μια διεθνής ομάδα ερευνητών απέδειξε πειραματικά ότι η αρχή διατήρησης της στροφορμής ισχύει ακόμα και όταν ένα μόνο φωτόνιο «σπάει» σε δύο. Η ανακάλυψη, που προέρχεται από το Tampere University σε συνεργασία με ερευνητές από τη Γερμανία και την Ινδία, ανοίγει νέους δρόμους στην κβαντική τεχνολογία, φέρνοντας την επιστήμη πιο κοντά στη δημιουργία σύνθετων κβαντικών καταστάσεων με εφαρμογές στην υπολογιστική, την επικοινωνία και την ανίχνευση.
Ένας νόμος που διέπει τη φύση
Οι νόμοι διατήρησης αποτελούν θεμέλιο της φυσικής. Ορίζουν τι μπορεί και τι δεν μπορεί να συμβεί στη φύση. Ένα απλό παράδειγμα βρίσκεται στο μπιλιάρδο: η κίνηση της μιας μπάλας μεταφέρεται στην άλλη, διατηρώντας τη συνολική ορμή. Αντίστοιχα, οι περιστρεφόμενες κινήσεις υπακούουν στον νόμο της στροφορμής. Εκεί που η υπόθεση γίνεται πιο ενδιαφέρουσα είναι στο φως. Τα φωτόνια, τα σωματίδια του φωτός, δεν κουβαλούν μόνο ενέργεια, αλλά και στροφορμή (orbital angular momentum - OAM), που σχετίζεται με τη χωρική δομή του κύματος φωτός.
Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και στο επίπεδο του ενός και μοναδικού φωτονίου, η στροφορμή πρέπει να διατηρείται σε κάθε αλληλεπίδραση φωτός και ύλης. Μέχρι σήμερα, οι σχετικές δοκιμές είχαν πραγματοποιηθεί κυρίως με ισχυρές δέσμες laser. Όμως η ομάδα του Tampere University αποφάσισε να φτάσει το πείραμα στα απόλυτα όρια της κβαντικής κλίμακας: να εξετάσει αν η διατήρηση της OAM ισχύει και όταν ένα μοναδικό φωτόνιο διαχωρίζεται σε δύο.
Η απλή εξίσωση που έπρεπε να ισχύει
Ο νόμος είναι σαφής: αν ένα φωτόνιο με μηδενική στροφορμή διαχωριστεί, τα δύο νέα φωτόνια πρέπει να έχουν στροφορμές που αθροίζουν στο μηδέν. Αν, για παράδειγμα, το ένα πάρει OAM ίσο με +1, το άλλο οφείλει να έχει -1. Με άλλα λόγια, η εξίσωση 1 + (-1) = 0 πρέπει να ισχύει σε κάθε περίπτωση.
Η διατήρηση αυτή είχε ήδη αξιοποιηθεί σε πολλές οπτικές εφαρμογές με laser, αλλά ουδέποτε είχε εξεταστεί μεμονωμένα σε ένα μόνο φωτόνιο. Η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Dr. Lea Kopf, εξηγεί:
Τα πειράματά μας δείχνουν ότι η OAM διατηρείται ακόμα και όταν η διαδικασία καθοδηγείται από ένα μόνο φωτόνιο. Αυτό επιβεβαιώνει έναν θεμελιώδη νόμο στο πιο βασικό επίπεδο, που τελικά βασίζεται στη συμμετρία της φύσης.
Αναζητώντας βελόνα στ' άχυρα
Το μεγαλύτερο εμπόδιο ήταν η απίστευτη σπανιότητα του φαινομένου. Μόνο ένα στα δισεκατομμύρια φωτόνια μετατρέπεται επιτυχώς σε ζεύγος, καθιστώντας την καταγραφή του ισοδύναμη με το κυνήγι μιας βελόνας στ' άχυρα.
Η ομάδα κατάφερε να ξεπεράσει αυτήν την πρόκληση χάρη σε έναν εξαιρετικά σταθερό οπτικό εξοπλισμό, συστήματα με ελάχιστο θόρυβο και ανιχνευτές με τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Με επιμονή και υπομονή, κατόρθωσαν να συγκεντρώσουν αρκετά δεδομένα ώστε να επιβεβαιώσουν την αρχή διατήρησης της OAM σε μονοφωτονικό επίπεδο.
Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, οι επιστήμονες εντόπισαν και τις πρώτες ενδείξεις για εμφάνιση κβαντικής διεμπλοκής στα παραγόμενα ζεύγη φωτονίων. Αυτό σημαίνει ότι η μέθοδος μπορεί να αξιοποιηθεί στο μέλλον για τη δημιουργία πιο σύνθετων κβαντικών καταστάσεων, κάτι που θα έχει καθοριστική σημασία για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών.
Μια ματιά στο μέλλον
Ο καθηγητής Robert Fickler, επικεφαλής της ομάδας Experimental Quantum Optics, τονίζει:
Η δουλειά μας δεν είναι μόνο θεμελιώδους σημασίας, αλλά μας φέρνει πιο κοντά στη δημιουργία νέων κβαντικών καταστάσεων, όπου τα φωτόνια είναι διεμπλεγμένα σε κάθε δυνατό επίπεδο – στον χώρο, τον χρόνο και την πόλωση.
Οι ερευνητές σκοπεύουν τώρα να βελτιώσουν την απόδοση της μεθόδου, ώστε να αυξήσουν τον αριθμό των επιτυχημένων μετατροπών φωτονίων και να κάνουν τις μετρήσεις πιο αποτελεσματικές. Με αυτόν τον τρόπο, θα είναι πιο εύκολο στο μέλλον να «βρίσκουν τις βελόνες στο άχυρο» μέσα στο εργαστήριο.
Παράλληλα, οι επόμενοι στόχοι περιλαμβάνουν τη χρήση των νέων πολυφωτονικών κβαντικών καταστάσεων για δοκιμές σε θεμελιώδη ερωτήματα της φυσικής, αλλά και για πρακτικές εφαρμογές στην κβαντική επικοινωνία και τα αναδυόμενα δίκτυα κβαντικού διαδικτύου.
[via]
