Тысячи частиц света могут сливаться в тип «суперфотона» при определенных условиях. Исследователи из Боннского университета теперь смогли использовать «крошечные наноформы», чтобы повлиять на конструкцию этого так называемого конденсата Бозе-Эйнштейна. Это позволяет им формировать пятнышко света в простую решетчатую структуру, состоящую из четырех точек света, расположенных в квадратной форме.

Такие структуры потенциально могут быть использованы в будущем, чтобы сделать обмен информацией между несколькими участниками защищенным от прослушивания. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Когда большое количество частиц света охлаждается до очень низкой температуры и одновременно ограничивается в компактном пространстве, они внезапно становятся неразличимыми и ведут себя как один суперфотон . Физики называют это конденсатом Бозе-Эйнштейна, и обычно это напоминает размытое пятнышко света.

«Однако теперь нам удалось запечатлеть в конденсате простую решетчатую структуру», — говорит Андреас Редманн из Института прикладной физики (IAP) Боннского университета.

Исследователи из IAP создают суперфотоны, заполняя крошечный контейнер раствором красителя. Боковые стенки контейнера являются отражающими. Если молекулы красителя возбуждаются лазером, они производят фотоны, которые отскакивают вперед и назад между отражающими поверхностями . Эти частицы света изначально относительно теплые. Однако они многократно сталкиваются с молекулами красителя , перемещаясь между отражающими поверхностями, и охлаждаются, пока, наконец, не конденсируются, образуя суперфотон.

Неровности на отражающих поверхностях влияют на конструкцию конденсатоотвода

«Обычно отражающие поверхности идеально гладкие», — объясняет Редманн. «Мы решили намеренно добавить в них небольшие углубления, которые, образно говоря, дают больше места для сбора света». Это фактически отпечатывает структуру на конденсате — почти как если бы вы вдавливали форму одной закрытой стороной вниз в песочницу: если вы снова поднимете ее, вы все еще сможете увидеть отпечаток формы на песке.

«Таким образом, нам удалось создать четыре области, где конденсат предпочитает оставаться», — говорит Редманн. Это как если бы вы разделили миску с водой между четырьмя чашками, расположенными в квадратной форме.

Однако в отличие от воды суперфотон не обязательно разделится на четыре меньшие порции. Если чашки расположены достаточно близко друг к другу, чтобы частицы света могли квантово-механически проходить туда и обратно между ними, он останется как один единый конденсат.

Это свойство можно использовать, например, для создания так называемой квантовой запутанности. Если свет в одной чашке изменит свое состояние, это также повлияет на свет в других чашках. Эта квантовая физическая корреляция между фотонами является основным требованием для того, чтобы сделать обмен информацией — например, обсуждения или секретные транзакции — между несколькими участниками защищенными от прослушивания.

«Намеренно изменяя форму отражающих поверхностей, теоретически возможно создавать конденсаты Бозе-Эйнштейна, разделенные между 20, 30 и даже большим количеством узлов решетки», — объясняет Редманн.

«Это позволило бы нам сделать общение между множеством участников дискуссии защищенным от прослушивания. Наше исследование впервые показало, как определенные модели излучения могут быть намеренно созданы для использования в конкретном приложении. Это делает метод чрезвычайно интересным для множества различных технологических разработок».