Dva atómy môžu s vysokou presnosťou spolu “hrať” kvantový pingpong

Atómy môžu bežne absorbovať a opätovne vyžarovať svetlo. Vo väčšine prípadov však atóm vyžaruje častice svetla všetkými možnými smermi, zachytiť fotón je preto pomerne ťažké. Výskumnému tímu z Technickej univerzity vo Viedni sa teraz podarilo teoreticky dokázať, že pomocou špeciálnej šošovky možno zaručiť, že jeden fotón vyžiarený jedným atómom bude opätovne pohltený druhým atómom. Tento druhý atóm však fotón nielen pohltí, ale priamo ho vráti do prvého atómu. Týmto spôsobom si atómy odovzdávajú fotón opakovane – presne ako v pingpongu.

„Ak atóm vyžiari fotón niekde vo voľnom priestore, smer emisie je úplne náhodný. To prakticky znemožňuje, aby tento fotón opäť zachytil iný vzdialený atóm,“ hovorí profesor Stefan Rotter z Ústavu teoretickej fyziky na TU Wien. „Fotón sa šíri ako vlna, čo znamená, že nikto nemôže presne povedať, ktorým smerom sa šíri. Je teda čisto náhodné, či je častica svetla opätovne pohltená druhým atómom alebo nie.“

Iná je situácia, ak sa experiment nevykonáva vo voľnom priestore, ale v uzavretom prostredí. Niečo celkom podobné je známe v akustike. Ak sa dvaja ľudia umiestnia v eliptickej miestnosti presne do ohnísk elipsy, počujú sa navzájom dokonale, aj keď si len ticho šepkajú. Zvukové vlny sa odrážajú od eliptickej steny takým spôsobom, že sa opäť stretávajú presne tam, kde stojí druhá osoba, preto táto osoba dokonale počuje tichý šepot.

V princípe by sa niečo podobné dalo vytvoriť aj pre svetelné vlny pri umiestnení dvoch atómov do ohnísk elipsy. Tieto dva atómy by však museli byť umiestnené v ohniskových bodoch veľmi presne. Výskumný tím preto prišiel s lepšou stratégiou založenou na koncepte šošovky s rybím okom, ktorú vyvinul James Clerk Maxwell, zakladateľ klasickej elektrodynamiky. Šošovka obsahuje priestorovo sa meniaci index lomu. Kým v homogénnom prostredí, ako je vzduch alebo voda, sa svetlo šíri priamočiaro, v Maxwellovej šošovke typu rybieho oka sa svetelné lúče ohýbajú.

„Týmto spôsobom možno zabezpečiť, aby všetky lúče vychádzajúce z jedného atómu dosiahli okraj šošovky po zakrivenej dráhe, následne sa odrazili a potom dorazili k cieľovému atómu po inej zakrivenej dráhe,“ vysvetľuje Oliver Diekmann, prvý autor publikácie. V tomto prípade funguje efekt oveľa účinnejšie ako v prípade jednoduchej elipsy a odchýlky od ideálnej polohy atómov sú menej rušivé.

Svetelné pole v Maxwellovej šošovke typu rybieho oka pozostáva z mnohých rôznych oscilačných módov. Výskumníkom sa podarilo ukázať, že spojenie medzi atómom a týmito rôznymi oscilačnými módmi možno prispôsobiť tak, že fotón sa takmer určite prenesie z jedného atómu do druhého, teda úplne inak, ako by to bolo vo voľnom priestore. Keď atóm absorbuje fotón, zostáva v stave vyššej energie, kým po veľmi krátkom čase fotón znovu nevypustí.

Potom sa hra začína odznova: oba atómy si vymenia úlohy a fotón sa vráti z atómu prijímateľa do pôvodného atómu odosielateľa atď. Tento efekt bol teoreticky preukázaný, ale praktické testy umožňuje až dnešná technológia. Tento koncept by mohol byť zaujímavým východiskom pre kvantové riadiace systémy na štúdium efektov pri extrémne silnej interakcii svetla a hmoty. Práca bola uverejnená v časopise Physical Review Letters.

Zdroj: phys.org.