Вычисления со скоростью света

Оптические эксперименты – одни из самых сложных в физике.
Фото предоставлено пресс-службой Физического института РАН

Известно, что основная часть света, падающего на зеркало, отражается тонким слоем металла, однако ничтожная толика световых волн все же «пробивает» отражающий слой. Если два зеркала расположить достаточно близко друг от друга, то прошедший насквозь свет попадет в полость (саvity), в которой происходит его накачка, или амплификация. Подобная накачка и дала рождение лазеру, или light-amplification.

То, что делают нынешние нанотехнологи, было бы совершенно невозможно без лазера, с помощью которого осуществляют «охлаждение» атомов и ионов в ловушках, получая тем самым сверхточные часы, без которых было бы невозможно широкое распространение мобильной связи и GPS. Но это уже пройденный этап теоретических и экспериментальных разработок, вышедших в повседневную практику.

Мысль же экспериментаторов не стоит на месте, точно так же как и свет, «пробивающий оба сближенных друг с другом зеркала. Оптическая накачка в полости между ними способствует большему проникновению света сквозь второе зеркало, приводя к интерференции световых волн. Напомним, что явление интерференции два века тому назад открыл английский глазной врач Т. Юнг. Фактически, интерференция – это «вмешательство» одних световых волн в дела других, что выглядит как чередование светлых и темных полос «усиления» и «ослабления».

Так вот, если расстояние между зеркалами равно целому числу длин волны света, то их «протечка» (leaking) сквозь второе зеркало будет синхронной, что приведет к их усилению. Нарушение цельности «гасит» свет, то есть зеркало становится как бы непрозрачным. Тем самым создаются условия управления интенсивностью фотонов света, то есть совсем, как во всем известном транзисторе с током электронов.

В Сингапуре создали зеркало, состоящее из одиночного иона бария. Линза шириной 1,5 см фокусировала свет на ионе, удерживаемом на расстоянии 14 мм от зеркала. Дираковское дрожание «усмиряли» с помощью электронной ловушки и лазерного охлаждающего луча (отклонение иона от геометрического центра ловушки не превышало каких-то 20 нанометров!).

Тюнинг длины световой волны позволял фотонам попадать внутрь ловушки и возбуждать ион бария. В результате электрон оболочки иона бария, по законам квантовой механики, поднимался с исходного уровня на более высокий. Тем самым осуществлялся квантовый скачок. В результате релаксации испускался фотон, то есть ион как бы «пропускал» свет. При смещении иона количество проходящего сквозь созданную систему света снижалось на 6%. Таким образом, одиночный ион бария служил как бы вторым зеркалом интерферометра.

Теоретики получили наконец-то возможность изучать квантовую электродинамику оптической полости, что было раньше просто недоступно. Изменение ее параметров позволит исследовать в пространстве между зеркалами совершенно определенные квантовые состояния фотонов, что чрезвычайно важно с точки зрения реализации элементов квантовых и оптических компьютеров. Появится очень точный измеритель длин волн света, а одиночные фотоны от еще одного лазера позволят с высочайшей точностью менять внутреннее состояние и тем самым контролировать «отражающую» способность атома.

Сообщение коллег, работающих далеко в Азии, было с энтузиазмом встречено учеными, мечтающими о компактных оптических устройствах. Дело в том, что длины волн видимого света измеряются сотнями нанометров, что противоречит задачам миниатюризации чипов (длину можно сократить лишь в два раза). Возникает вопрос, не будут ли меняться оптические свойства света при уменьшении устройства до размера одного атома. Если это окажется именно так – значит, есть надежда на создание действительно полноценных оптических компьютеров, которые по определению не будут греться и в то же время осуществлять калькуляции со скоростью света!