Жизнь и смерть фотона впервые наблюдали экспериментально

Обычно детектирование фотонов связано с их поглощением в фотодетекторе, при котором энергия фотона диссипирует и сам фотон исчезает. Фотодетекторы не могут определять единичные фотоны - им нужен поток частиц.

Однако в некоторых случаях можно провести измерения гораздо более деликатным образом, практически не изменяя состояние системы. Такие неразрушающие квантовые измерения стали обычным делом для больших систем (атомов или молекул), которые исследуют с помощью фотонов. Но измерение квантовых состояний самих фотонов - гораздо более трудная задача.

Французские ученые Мишель Брюн (Michel Brune) и его коллеги из Ecole Normal Supériore в Париже решили обратить ситуацию и использовать атомы для измерения квантовых состояний системы, состоящей из одного фотона.

Измерительное устройство состояло из микроволнового резонатора, в котором происходит рождение фотонов, соответствующих собственной частоте колебаний резонатора.

Резонатор охлаждается до температуры 0,8 К, при которой вероятность отсутствия в нем СВЧ-фотона около 5%, а вероятность обнаружения одного фотона составляет 50%. Этот фотон самопроизвольно возникает из вакуума и менее чем через секунду исчезает.

Фотон можно обнаружить при помощи пропускания через резонатор пучка атомов рубидия. Атомы находятся при этом в высоковозбужденном состоянии, когда один из электронов внешней оболочки присутствует на самых высоких уровнях, близких к порогу ионизации (т.н. ридберговские состояния).

Такие состояния чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям, в частности, к электрическим полям. В экспериментах использовали атомы в одном из двух квантовых состояний (обозначаемых буквами g и e). При отсутствии фотонов в резонаторе большинство атомов выйдет из него в состоянии g, если же встретится даже один фотон - в состоянии е.

Атомы рубидия переходят из состояния g в состояние е при нерезонансном взаимодействии с полем резонатора, а взаимодействие с фотоном атомов рубидия сопровождается переходом в более возбужденное состояние - фотон, таким образом, оставляет след своего присутствия в резонаторе.

Важно отметить, что, в отличие от фотодетектора, один фотон после столкновения с атомом может взаимодействовать еще раз, и его время жизни не определяется наличием атомов в резонаторе.

Для анализа квантовых состояний атомов рубидия на выходе из резонатора использовали метод спектроскопии высокого разрешения и интерференционные методики. Описанная схема эксперимента позволила Брюну и его коллегам провести сотни измерений для отдельного фотона без его разрушения.

Измеряя состояние выходящих из резонатора атомов, ученые смогли наблюдать, как отдельный фотон появляется из вакуума, живет около 0,5 секунд и затем исчезает. Хотя это явление было предсказано около ста лет назад, лишь сейчас его удалось наблюдать непосредственно.

Следующим этапом будет воспроизведение этих экспериментов уже с десятками фотонов в резонаторе. Это даст возможность наблюдать переход от квантового описания света как отдельных частиц к классической трактовке света как электромагнитной волны.

Эксперименты французских ученых наглядно демонстрируют фундаментальные принципы квантовой механики, но они имеют и практическую перспективу - микроволновой резонатор можно использовать как логический элемент, переключающий квантовые состояния атомов в соответствии с наличием или отсутствием в резонаторе единственного фотона.