Вперше отримана голограма одиночного фотона, яка дозволить вивчати його найважливішу квантову характеристику - хвильову функцію.
Оптики фізичного факультету Варшавського університету отримали першу в історії голограму одиночного фотона, що раніше вважалося неможливим. Вона дозволила спостерігати за «формою» фотона - його квантовою хвильовою функцією. Про цей експеримент, розповідає стаття в журналі Nature Photonics.
Хвильова функція - ключове поняття в квантовій механіці. Інформація про неї дозволяє побудувати модель квантового об'єкта. Зокрема квадрат її модуля являє собою розподіл ймовірності знаходження частинки в певному стані. Незважаючи на те, що квантова механіка в даний час широко використовується і за сто років багаторазово перевірена з великою точністю, фізики все ще не в змозі остаточно сказати: хвильова функція - це просто зручний математичний інструмент, або щось реальне. Можливо, ця робота проллє нове світло на цю проблему.
Просторова структура фотона становить великий інтерес для досліджень у галузі квантового зв'язку, обчислень, експериментах із заплутаності фотонів і багатьох інших. Однак досі не було простого експериментального методу отримання інформації про фазу хвильової функції фотона. Фотографія для цієї мети не годиться, оскільки фіксує тільки інтенсивність світла. На відміну від неї голограма дозволяє зареєструвати і фазу хвилі. Для створення звичайної голограми хвиля, яка містить інформацію, наприклад, відображена від тривимірного об'єкта, складається з опорною хвилею. Якщо джерела світла когерентні, тобто мають постійну фазу і довжину хвилі, то утворюється складна стійка картина ліній горбів і западин (інтерференційна картина). Якщо отримане зображення висвітлить променем опорної хвилі, відновлюється вихідна структура інформаційної хвилі, і можна побачити об'єктне зображення.
Створення голограми одиночного фотона до недавнього часу вважалося неможливим. Для отримання повноцінної картини необхідно було зафіксувати кілька окремих фотонів з однаковими властивостями, а на практиці їх фаза завжди непостійна. Тоді дослідники перейшли до квантової інтерференції, в якій використовуються одержувані завдяки взаємодії хвильових функцій непристойні фотони.
Експеримент, проведений на створеній дослідниками установці, заснований на створенні двох однакових фотонів з плоскими фронтами і різною поляризацією. Електричні поля фотонів коливаються у взаємно перпендикулярних площинах. Відображення від вигнутої лінзи викривляє фронт одного з фотонів, роблячи його «невідомим». Для розуміння термінів можна уявити хвилі на воді. Прямі вали хвиль, що накочуються на берег, відповідають плоскому фронту. Кола на воді від поваленого каменю ілюструють викривлений фронт. Повторивши вимір кілька разів, дослідники отримали інтерференційне зображення, відповідне голограмі невідомого фотона. Воно може бути використано для повного відновлення амплітуди і фази хвильової функції невідомого фотона.
Дослідники сподіваються, що їх робота дасть в руки фізикам інструмент для дослідження квантових явищ, особливо, якщо в майбутньому вони зможуть використовувати подібний метод для відтворення хвильових функцій більш складних квантових об'єктів, таких як атоми.
За матеріалами Варшавського університету