Физики-теоретики из Мессинского университета (Италия) описали эксперимент, в котором с помощью одного фотона можно возбудить сразу два атома. При этом релаксация обоих атомов будет происходить одновременно — с испусканием строго одного фотона. Обратная ситуация — возбуждение одного атома с помощью двух фотонов — хорошо известна и используется в некоторых техниках микроскопии. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Покоящийся изолированный атом может обладать лишь определенным строго заданным набором энергий, которые называются энергетическими уровнями. В свободном состоянии частица стремится обладать минимальной энергией, которая отвечает основному или невозбужденному состоянию. Но если направить на такую частицу фотон, энергии которого в точности хватает для «прыжка» атома к следующему энергетическому уровню, то атом может его поглотить, совершив этот переход. Это наблюдение подтверждается существованием линий поглощения в спектрах атомов.

Стеклянная наночастица в оптическом резонаторе. James Millen / Flickr

Если энергия фотона меньше, чем требуется для прыжка, возбуждение атома невозможно — в «лестнице» уровней энергий нет промежуточных ступеней. Однако, из этого правила есть исключение: если один фотон обеспечивает в точности половину прыжка, то существует шанс, что атом поглотит сразу два кванта и возбудится. Явление двухфотонного поглощения используется в микроскопии сверхвысокого разрешения. Кроме того, существуют эксперименты, в которых атом, переходя из возбужденного состояния в основное, испускает сразу два запутанных фотона.

Авторы предложили эксперимент и механизм, который позволил бы совершить обратное действие — возбудить два или более атомов с помощью одного фотона. В основе эксперимента лежит оптический резонатор — полость, способная поддерживать стоячую волну света с определенной длиной. Ученые предложили поместить в этот резонатор два атома, энергии возбуждения которых в точности соответствуют фотонам с длиной волны в два раза больше, чем длина стоячей волны, поддерживаемой полостью. Это соответствует энергии в два раза меньшей, чем энергия резонансного фотона.

По расчетам ученых, система из трех частиц — двух атомов и фотона — может оказаться запутанной благодаря виртуальным фотонам. Эти частицы возникают и исчезают вследствие флуктуаций вакуума. Атом может временно «воспользоваться» таким виртуальным фотоном и перейти в возбужденное состояние. В итоге система из трех частиц оказывается одновременно в двух состояниях: два атома в основном состоянии и фотон в полости или два возбужденных атома и отсутствие фотона в полости. Подобная суперпозиция при измерении превращается одно из этих состояний. Физики утверждают, что ее можно полностью сдвинуть в ситуацию с двумя возбужденными атомами.

Авторы отмечают, что аналогичным образом можно добиться возбуждения сразу трех атомов — для этого потребуется оптический резонатор с энергией резонансного фотона в три раза большей, чем требуемой одним атомом. Одно из приложений такого эффекта — создание запутанных состояний для квантовой криптографии. Независимый эксперт — Татьяна Уилк из Института квантовой оптики общества Макса Планка — замечает, что хотя само явление кажется интересным, резонансные полости не могут обеспечить большого времени жизни запутанного состояния.

Эффект, описанный физиками, еще не наблюдался на практике, поэтому ученые предлагают возможную схему эксперимента. Вместо атомов авторы предлагают использовать «искусственные атомы» — макроскопические системы со строго заданным набором энергетических уровней. В их роли могут выступать, например, сверхпроводящие кольца.

Оптические резонаторы находят применение как в различных квантовых системах (в частности, их предлагают использовать в качестве элементов памяти фотонных компьютеров), так и в лазерной технике. К примеру, с помощью резонаторов можно превратить живые клетки в активную среду лазеров. Кроме того, плоские резонаторы на основе эффекта шепчущей галереи позволили создать плоский лазер.

Автор: Владимир Королёв