Se on vilkaisu tieteiskirjallisuuteen tosiasiassa: Tutkijat ovat luoneet uuden valomuodon, jota voitaisiin joskus käyttää valokiteiden rakentamiseen. Mutta ennen kuin mahdolliset Jedit alkavat vaatia sakkojaan, ennakko johtaa paljon todennäköisemmin kiehtoviin uusiin viestintä- ja laskentatapoihin, tutkijat raportoivat tällä viikolla Science -lehdessä.
Valo koostuu fotoneista - nopeista, pienistä energiapaketeista. Tyypillisesti fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään, minkä vuoksi käytettäessä taskulamppuja "et näe, että valonsäteet palautuvat toisistaan, näet niiden menevän toistensa läpi", selittää tohtori Sergio Cantu. atomifysiikan ehdokas Massachusetts Institute of Technology. Uusissa kokeissa fyysikot kuitenkin kokosivat yksittäiset fotonit viihtymään toisiinsa ja yhdistymään samalla tavalla kuin yksittäiset atomit tarttuvat toisiinsa molekyyleissä.
Fotonitanssi tapahtuu MIT: n laboratoriossa, jossa fyysikot suorittavat pöytätestejä laserilla. Cantu, hänen kollegansa Aditya Venkatramani, tohtori. atomifysiikan ehdokas Harvardin yliopistossa, ja heidän yhteistyökumppaninsa aloittavat luomalla pilven jäähdytettyjä rubidiumiatomeja. Rubidium on alkalimetalli, joten se näyttää tyypillisesti hopeanvalkoiselta kiinteältä aineelta. Mutta rubidiumin höyrystäminen laserilla ja sen pitäminen ultrakertaisena luo pilven, jonka tutkijat sisältävät pieneen putkeen ja magnetoivat. Tämä pitää rubidiumatomit diffuusiina, hitaasti liikkuvina ja erittäin kiihtyneessä tilassa.
Sitten joukkue ampuu heikon laserin pilveen. Laser on niin heikko, että vain kourallinen fotoneja tulee pilveen, kertoo MIT: n lehdistötiedote. Fyysikot mittaavat fotonit poistuessaan pilven toiselta puolelta ja silloin asiat muuttuvat outoiksi.
Normaalisti fotonit kulkisivat valon nopeudella - melkein 300 000 kilometriä sekunnissa. Mutta kulkiessaan pilven läpi, fotonit hiipivät 100 000 kertaa normaalia hitaammin. Sen lisäksi, että pilvet poistuvat satunnaisesti, fotonit tulevat läpi pareittain tai kolmoisina. Nämä parit ja tripletit lähettävät myös erilaisen energiasignaalin, vaihesiirron, joka kertoo tutkijoille fotonien vuorovaikutuksessa.
"Alun perin se oli epäselvää", sanoo Venkatramani. Ryhmä oli nähnyt kahden fotonin vuorovaikutuksessa aikaisemmin, mutta he eivät tienneet, olivatko kolmoiset mahdollisia. Loppujen lopuksi, hän selittää, vetymolekyyli on kahden vetyatomin vakaa järjestely, mutta kolme vetyatomia eivät voi pysyä yhdessä pidempään kuin miljoonasosa sekunnista. "Emme olleet varmoja, että kolme fotonia olisi vakaa molekyyli tai jotain mitä voisimme jopa nähdä", hän sanoo.
Yllättäen tutkijat havaitsivat, että kolmifotoniryhmä on vielä vakaampi kuin kaksi. "Mitä enemmän lisäät, sitä vahvemmin ne sidotaan", sanoo Venkatramani.
Mutta miten fotonit yhdistyvät? Fyysikoiden teoreettinen malli ehdottaa, että kun yksi fotoni liikkuu rubidiumipilven läpi, se humala atomista toiseen "kuin mehiläinen leijuu kukien väliin", lehdistötiedote selittää. Yksi fotoni voi hetkellisesti sitoutua atomiin muodostaen hybrottisen fotoniatomin tai polaritonin. Jos kaksi näistä polaritoneista kohtaa pilvessä, ne ovat vuorovaikutuksessa. Saavuttuaan pilven reunaan, atomit pysyvät takana ja fotonit purjehtivat eteenpäin, silti sidottuina toisiinsa. Lisää lisää fotoneja ja sama ilmiö johtaa kolmoihin.
"Nyt kun ymmärrämme, mikä johtaa vuorovaikutukseen houkuttelevuuteen, voit kysyä: Voitko panna ne torjumaan toisiaan?" sanoo Cantu. Periaatteessa vuorovaikutuksella pelaaminen voisi paljastaa uusia käsityksiä energian toimivuudesta tai mistä se tulee, hän sanoo.
Tällä tavoin sidotut fotonit voivat teknologisen kehityksen kannalta kuljettaa tietoa - kvantitietojen arvioinnissa hyödyllistä laatua. Ja kvanttilaskenta voi johtaa särkymättömiin koodeihin, erittäin tarkkoihin kelloihin, uskomattoman tehokkaisiin tietokoneisiin ja muuhun. Asia, joka on niin houkutteleva fotonien koodaustietojen suhteen, on se, että fotonit voivat kuljettaa tietonsa etäisyyksille erittäin nopeasti. Jo fotonit nopeuttavat viestintäämme kuituoptisilla linjoilla. Sitoutuneet tai takertuneet fotonit voivat välittää monimutkaisia kvantitietoja melkein heti.
Ryhmä aikoo valvoa fotonien houkuttelevaa ja torjuvaa vuorovaikutusta niin tarkasti, että ne pystyisivät järjestämään fotonit ennustettavissa oleviin rakenteisiin, jotka pitävät yhdessä kiteinä. Jotkut fotonit hylkäisivät toisiaan työntäen toisistaan, kunnes ne löytävät oman tilansa, kun taas toiset pitävät suuremman muodostelman ja estävät karkottavat hajoamasta. Heidän kuvioitu järjestely olisi kevyt kide. Kevytkiteessä "jos tiedät, missä yksi fotoni on, niin tiedät, missä muut ovat sen takana, samoin välein", sanoo Venkatramani. "Tämä voisi olla erittäin hyödyllinen, jos haluat olla kvanttiviestinnän säännöllisin väliajoin."
Tulevaisuus, jonka tällaiset kristallit voisivat mahdollistaa, saattaa vaikuttaa epämääräisemmältä kuin sellainen, jossa ihmiset taistelevat valonäppäimillä, mutta se voisi pitää edistystä vielä vaikuttavampana ja unelmoimattomana.
Toimittajan huomautus: Tämä tarina on korjattu heijastamaan sitä, että fotonit, ei atomit, pääsevät rubidiumipilveen ja niiden nopeus hidastuu, kun ne kulkevat läpi.
