«Твердый» свет поможет справиться с неразрешимыми задачами

Исследователи из Принстонского университета решили кристаллизовать свет, чтобы ответить на фундаментальные вопросы физики материи.
 
В своем эксперименте ученые не направляли свет сквозь кристалл — они трансформировали свет... в кристалл. В попытке разработать материалы с фантастическими свойствами — такие как сверхпроводники при комнатной температуре — исследователи сцепили друг с другом фотоны, кванты электромагнитного излучения (в узком смысле — света), таким образом, что они были зафиксированы на одном месте.
 
«Это нечто, чего мы никогда не видели, — рассказывает Эндрю Хук (Andrew Houck), адъюнкт-профессор в области электротехники и один из участников эксперимента. — Это совершенно новое поведение света».
 
Перед учеными открываются захватывающие перспективы по созданию материалов будущего. Но, прежде всего, исследователи намереваются использовать новый метод для решения вопросов, касающихся фундаментальных исследований материи, называемых физикой конденсированных сред.
 
«Нам интересно исследовать — и в конечном счете контролировать и управлять — поток энергии на атомарном уровне, — говорит Хакан Тюреджи (Hakan Türeci), адъюнкт-профессор в области электротехники и член исследовательской группы. — Цель — лучше понимать имеющиеся материалы и процессы и оценить возможность создания материалов, которые еще не существуют».
 
 
Результаты, опубликованные в журнале Physical Review X, являются частью исследовательской программы, призванной ответить на фундаментальные вопросы, касающиеся поведения атомов, посредством создания устройства, которое сможет моделировать поведение субатомных частиц. Такой бесценный инструмент может помочь ответить на вопросы, связанные с атомами и молекулами, которые неразрешимы даже с использованием самых мощных на сегодняшний день компьютеров. 
 
В частности, это связано с тем, что современные компьютеры работают в рамках законов классической механики, которая представляет собой систему, описывающую мир вокруг нас, содержащий, к примеру, мячи для боулинга и планеты. Но мир атомов и фотонов подчиняется законам квантовой механики, которая имеет множество странных и даже парадоксальных свойств. Одним из таких свойств является состояние «запутанности», в котором частицы становятся взаимно связанными и могут влиять друг на друга, будучи разделенными большими расстояниями.
 
Разница между квантовыми и классическими законами ограничивает возможности компьютеров эффективно исследовать квантовые системы. Так как вычислительное устройство может работать в рамках классических законов, оно попросту не может охватить все свойства квантового мира. Ученые уже давно придерживаются мнения, что только компьютер, основанный на законах квантовой механики, сможет ответить на вопросы, которые сегодня считаются неразрешимыми. Такие компьютеры легко справятся с задачами, над которыми работают исследователи из Принстона, но создание универсального квантового компьютера сегодня считается невероятно сложным и требующим дальнейших изысканий процессом.
 
Еще один метод, который применяет группа из Принстона, состоит в создании системы, непосредственно моделирующей желаемое квантовое состояние. Хотя такой инструмент ограничен возможностью выполнения только одного задания, он поможет ответить на целый ряд важных вопросов, не прибегая к решению более сложных проблем, связанных с созданием универсального квантового компьютера. В некоторой степени, такой подход можно сравнить с проектированием нового самолета, модель которого обдувается в аэродинамической трубе — решить проблему можно посредством физического моделирования, а не обсчета процессов и конструкций с помощью компьютера.
 
В дополнение к ответам на вопросы, касающиеся существующих сегодня материалов, такой инструмент также может помочь ученым-физикам исследовать фундаментальные вопросы, имеющие отношение к поведению материи, моделируя материалы, которые пока существуют только лишь в воображении исследователей. 
 
Разрабатывая экспериментальную установку, ученые создали структуру из сверхпроводящих материалов, содержащую 100 млрд атомов, которые ведут себя как один «искусственный атом». Затем они разместили этот «атом» рядом со сверхпроводящей проволокой, содержащей фотоны.
 
В соответствии с законами квантовой механики фотоны переняли некоторые из свойств искусственного атома. В их нормальном состоянии фотоны не взаимодействуют друг с другом, но в этой системы исследователям удалось перевести их в новое состояние, в котором фотоны начинают взаимодействовать в некоторых отношениях как частицы.
 
«Мы использовали это смешивание атома и фотонов для искусственного создания сильных взаимодействий между фотонами, — рассказывает Дариус Садри (Darius Sadri), научный сотрудник с докторской степенью, один из участников исследования. — Такие взаимодействия затем привели к совершенно новому состоянию светового излучения, схожему с такими состояниями вещества, как жидкости или кристаллы, которые изучаются в физике конденсированных сред. 
 
По словам Тюреджи, ученые исследуют природу света не одно столетие и знают, что иногда свет ведет себя как волна, а иногда — как частица. В лаборатории в Принстоне исследователям удалось обнаружить его новое поведение: «Мы создали ситуацию, когда свет ведет себя как частица — в том смысле, что между двумя фотонами возникает сильное взаимодействие. В одном режиме эксперимента свет «плескался» вперед-назад как жидкость, в другом — «замерзал»».
 
Созданная в Принстоне экспериментальная установка относительно невелика и имеет всего лишь две рабочих зоны, в которых искусственный атом соединяется со сверхпроводящей проволокой. По словам исследователей, масштабируя устройство и увеличивая количество взаимодействий, они смогут моделировать и более сложные системы — от одной молекулы до макроскопических образцов новых материалов. В будущем исследовательская группа планирует создать установку с сотнями рабочих зон, с помощью которой они надеются исследовать такие экзотические состояния света, как сверхтекучесть и непроводимость (диэлектрик).