Определять квантовое состояние облака фотонов предложили по голограмме

Физики Томского государственного университета (ТГУ) предложили способ определять квантовое состояние облака фотонов с помощью другого фотона. Подход можно использовать для квантовой диагностики света, а также для изучения высокоэнергетических фотонов в астрофизике и космологии, сообщили в Минобрнауки.

«Голограмма позволяет отследить когерентность состояния фотонного газа. Мы рассмотрели два случая: когерентную и некогерентную решетки фотонов, плотности энергии которых совпадают в момент времени t=0. Расчет показывает, что голограммы в этих случаях оказываются различны», — приводятся в тексте слова соавтора работы, аспиранта кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Алексея Соколова.

Как поясняют ученые, фотонный газ представляет собой облако фотонов. Исследователи предлагают направлять на него другой, зондирующий фотон и регистрировать результат его рассеяния. В результате возникает голограмма, по которой можно определить, как фотоны распределены в пространстве, как они поляризованы и насколько согласованы между собой состояния фотонов.

Чтобы проверить чувствительность метода, ученые рассчитали голограммы для двух фотонных решеток с одинаковым распределением числа фотонов. В одном случае состояния фотонов были согласованы между собой, а в другом — нет. Несмотря на одинаковое распределение фотонов, голограммы оказались разными. Таким образом, метод позволяет получать сведения не только о количестве фотонов, но и об особенностях их квантового состояния.

По расчетам исследователей, вклад, возникающий благодаря согласованному состоянию фотонов, примерно в 20 тыс. раз превышает эффект обычного рассеяния света на свете. По мнению авторов, это делает его доступным для наблюдения.

Рассеяние света

Работа основана на эффекте рассеяния света на свете, при котором один фотон рассеивается на другом. Он был предсказан квантовой электродинамикой еще в 1930-х годах. При этом в лабораторных условиях пока не наблюдался случай, когда все участвующие в таком процессе фотоны являются реальными.

Ученые также рассчитали, как фотонный газ и даже отдельный фотон могут влиять на проходящий через них свет. В частности, они могут изменять его поляризацию — характеристику, описывающую направление и характер колебаний световой волны. Предложенная теория также позволяет получать дополнительную информацию о состоянии фотонного газа.

Применение

Особую ценность разработанная теория, по данным авторов, может представлять для астрофизики. Высокоэнергетический свет, который регистрируют ученые при наблюдении космических объектов, по пути проходит через среду, содержащую другие фотоны. Такое окружение может изменять его поляризацию. Новая теория позволяет рассчитать эти изменения и учитывать их при анализе данных наблюдений.

Кроме того, описанный учеными эффект открывает возможность изменять поляризацию света очень высоких энергий. Это особенно важно для той области энергий, где традиционные способы управления поляризацией света уже не работают.

«В фундаментальном плане эта работа открывает новые горизонты сразу для нескольких областей: она вносит вклад в сильнополевую квантовую электродинамику, предлагает новые методы в астрофизике и космологии, дает импульс экспериментам с высокоэнергетическими фотонами и углубляет наше понимание природы элементарных частиц», — приводятся в тексте слова профессора кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петра Казинского.

Результаты

Результаты исследования Петра Казинского и Алексея Соколова представлены в статье High-energy photon hologram of a photon gas, опубликованной в журнале Physical Review D.

Источник: ТАСС. Наука.