Un singur foton a fost detectat, dar nu a fost distrus

Fizicienii au văzut o singură particulă de lumină și apoi au lăsat-o să-și continue drumul. Isprava a fost posibilă datorită unei noi tehnici care, pentru prima dată, detectează fotonii optici fără a-i distruge. Tehnologia ar putea oferi în cele din urmă detectarea perfectă a fotonilor, oferind un impuls comunicației cuantice și chiar imaginilor biologice.

O mulțime de instrumente disponibile comercial pot identifica particulele de lumină individuale, dar aceste instrumente absorb fotonii și folosesc energia pentru a produce un clic sonor sau un alt semnal de detectare.

Fizicianul cuantic Stephan Ritter și colegii săi de la Institutul de Optică Cuantică Max Planck din Garching, Germania, au dorit să continue propunerea din 2004 a unei metode nedistructive pentru detectarea fotonilor. În loc să capteze fotoni, acest instrument le-ar simți prezența, profitând de tărâmul excentric al mecanicii cuantice în care particulele pot exista în mai multe stări și pot circula în mai multe locuri simultan.

Ritter și echipa sa au început cu o pereche de oglinzi foarte reflectorizante separate de o cavitate lățimea de jumătate de milimetru. Apoi au plasat un singur atom de rubidiu în cavitate pentru a funcționa ca agent de securitate. Ei au ales rubidiul deoarece poate lua două identități distincte, care sunt determinate de aranjamentul electronilor săi. Într-o stare, este o santinelă 100% eficientă, împiedicând fotonii să intre în cavitate. În celălalt, este o viză total inutilă, permițând fotonilor să intre în cavitate. Când fotonii intră, ei sar înainte și înapoi de aproximativ 20.000 de ori înainte de a ieși.

Trucul a fost manipularea rubidiului astfel încât să se afle într-o așa-numită suprapunere cuantică a acestor două stări, permițând unui atom să fie un performator și un leneș în același timp. În consecință, fiecare foton de intrare a luat mai multe căi simultan, ambele alunecând în cavitate nedetectate și fiind oprite la ușă și reflectate. De fiecare dată când starea atentă a rubidiului a întors un foton, o proprietate măsurabilă a atomului numită faza sa se schimba. Dacă fazele celor două stări ale atomului de rubidiu diferă, cercetătorii știau că atomul a întâlnit un foton.

Pentru a-și confirma rezultatele, cercetătorii au plasat un detector convențional în afara aparatului pentru a captura fotoni după întâlnirea lor cu rubidiu, relatează echipa pe 14 noiembrie în Ştiinţă.

„Este un experiment foarte tare”, spune Alan Migdall, care conduce grupul de optică cuantică de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Gaithersburg, Md. Dar el avertizează că identificarea fotonilor fără a-i distruge nu înseamnă că fotonul care iese este același. așa cum a fost înainte de detectare. „Ai scos unele informații din ea, așa că ajungi să o afectezi”, spune el. Ritter spune că se așteaptă ca proprietățile fotonilor să rămână în mare parte neschimbate, dar recunoaște că echipa sa trebuie să efectueze mai multe măsurători pentru a confirma această ipoteză.

Ritter observă că niciun detector de fotoni nu este perfect, iar cel al echipei sale nu face excepție: nu a reușit să detecteze un sfert din fotonii care intră și a absorbit o treime dintre aceștia. Dar el spune că puterea tehnicii este că, pentru multe aplicații ale detectoarelor cu un singur foton, fiecare detector nu ar trebui să fie perfect. Ritter prevede un aranjament imbricat de detectoare îmbunătățite care, atâta timp cât nu absorb fotoni, ar garanta aproape că fiecare foton este numărat. În cele din urmă, acest lucru ar putea beneficia de domenii precum medicina și biologia moleculară, în care oamenii de știință necesită imagini precise ale obiectelor în medii cu lumină scăzută.