Foton nie da się przeciąć. Próba ucięcia go… zwielokrotnia światło

Wyobraź sobie, że próbujesz odciąć kawałek wiązki światła. Intuicja podpowiada: skrócisz ją. Fizyka kwantowa mówi coś zupełnie odwrotnego. Najnowsze eksperymenty ujawniają, że fotony – cząstki światła – reagują na próbę „ucięcia” w sposób, który podważa nasze klasyczne rozumienie rzeczywistości.

Niedzielna zagadka dla fizyków

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Foton jest kwantem pola elektromagnetycznego – najmniejszą porcją światła, jaka może istnieć. Nie da się go podzielić na mniejsze fotony. Gdybyśmy jednak spróbowali odciąć początek lub koniec jego trajektorii, spodziewalibyśmy się, że foton zniknie lub skróci się. Tymczasem naukowcy donoszą, że zamiast się skrócić, foton… zwielokrotnia swoje oddziaływanie.

Eksperyment, opisany przez zespół z Uniwersytetu Warszawskiego, polegał na wysłaniu pojedynczych fotonów do specjalnie przygotowanego układu optycznego, który symulował „nożyce” – urządzenie zdolne do usunięcia pewnego odcinka przestrzennego wiązki. Gdy foton natrafił na przeszkodę, nie uległ zniszczeniu, a jego stan kwantowy uległ transformacji przypominającej multiplikację. Zamiast jednego impulsu pojawiał się ciąg słabszych, ale powiązanych ze sobą stanów.

Kwadratura koła kwantowego

→ Czytaj też: Światło zachowuje się jak kwantowy hamulec. Co to oznacza dla twojego komputera?

Klucz do zrozumienia tego zjawiska leży w naturze samego fotonu. To nie jest mała kulka poruszająca się po prostej – to rozmyty obiekt falowy, opisany funkcją falową rozciągniętą w czasie i przestrzeni. Próba „odcięcia” fragmentu tej fali narusza podstawową zasadę mechaniki kwantowej: fotonu nie można zlokalizować w punkcie, dopóki go nie zmierzymy. Gdy układ pomiarowy próbuje wymusić lokalizację, foton reaguje wytworzeniem nowych, skorelowanych stanów.

Jak tłumaczy główny autor badań, dr Michał Karpiński, zjawisko to można przyrównać do próby złapania cienia – im bardziej staramy się go uchwycić, tym bardziej się rozmazuje i zmienia. W przypadku fotonów ta „rozmazana” odpowiedź przyjmuje postać kaskady słabszych impulsów, które zachowują jednak spójność kwantową – są ze sobą splątane i mogą przenosić informację dalej.

Co to znaczy dla technologii?

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że odkrycie to ma znaczenie czysto akademickie. Nic bardziej mylnego. Zrozumienie, jak fotony reagują na próby manipulacji ich strukturą przestrzenno-czasową, ma bezpośrednie przełożenie na rozwój komunikacji kwantowej i obliczeń kwantowych.

• Kwantowe sieci bezstratne: Jeśli potrafimy kontrolować efekt multiplikacji fotonów, możemy projektować kanały komunikacyjne, w których informacja nie ginie, a jedynie się rozprasza na wiele wzajemnie powiązanych nośników.
• Nowe źródła splątania: Kaskada słabych impulsów utrzymujących spójność może stać się źródłem wielu splątanych par fotonów – podstawowego budulca kwantowych protokołów kryptograficznych.
• Symulatory kwantowe: Odkrycie pozwoli lepiej modelować, jak kwanty światła oddziałują z materią na poziomie pojedynczych atomów, co jest kluczowe dla budowy kwantowych symulatorów materii skondensowanej.

Granice naszego poznania

Eksperyment ten pokazuje, że mechanika kwantowa wciąż skrywa przed nami niespodzianki. Fotony, choć badane od stu lat, nadal potrafią zaskoczyć. „Próba ucięcia fotonu ujawnia, że nasze intuicyjne wyobrażenie o cząstkach jest zbyt proste” – podsumowuje dr Karpiński. „Świat kwantów wymaga od nas myślenia w kategoriach relacji, a nie obiektów”.

Badania rzucają nowe światło na fundamentalne pytanie: czym jest pojedynczy foton? Jeśli jego „koniec” nie istnieje, dopóki go nie zmierzymy, to czy nasze klasyczne pojęcie czasu i przestrzeni ma w ogóle zastosowanie w skali kwantowej? Być może odpowiedź na to pytanie zmieni sposób, w jaki projektujemy nie tylko detektory, ale i same algorytmy kwantowe.