• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Narodziny kwantowej holografii: Mamy hologram pojedynczej cząstki światła!

    28.07.2016. 21:51
    opublikowane przez: Redakcja

    Wykonanie hologramu pojedynczego fotonu uchodziło dotąd za niemożliwe z przyczyn fizycznie fundamentalnych. Naukowcom z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego udało się jednak w oryginalny sposób przenieść idee klasycznej holografii do świata zjawisk kwantowych. Nowa technika pomiarowa nie tylko umożliwiła rejestrację pierwszego hologramu pojedynczej cząstki światła, ale także pozwoliła w nowy sposób spojrzeć na fundamenty mechaniki kwantowej.

    Na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) wykonano pierwszy hologram pojedynczej cząstki światła. Spektakularny eksperyment, opisany na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Photonics”, przeprowadzili dr Radosław Chrapkiewicz i mgr Michał Jachura pod kierownictwem dr. hab. Wojciecha Wasilewskiego i prof. dr. hab. Konrada Banaszka. Zarejestrowanie hologramu fotonu oznacza początek nowego rodzaju holografii: holografii kwantowej, która odsłania nowy widok na świat zjawisk kwantowych.

    „W stosunkowo prostym eksperymencie zmierzyliśmy i zobaczyliśmy coś, co dostrzec jest bardzo trudno: kształt frontów falowych pojedynczego fotonu”, mówi dr Radosław Chrapkiewicz.

    W standardowej fotografii w poszczególnych punktach obrazu rejestruje się wyłącznie natężenie światła. W klasycznej holografii dzięki zjawisku interferencji zapisuje się także fazę fali świetlnej (to właśnie faza niesie informację o głębi obrazu). Wykonanie hologramu polega na tym, że na dobrze znaną, niezaburzoną falę świetlną (odniesienia) nakłada się drugą falę o tej samej długości, lecz odbitą od obiektu trójwymiarowego (a zatem z grzbietami i dolinami fali świetlnej poprzesuwanymi w różnym stopniu w różnych punktach obrazu). Dochodzi do interferencji, która wskutek różnic w fazach obu fal tworzy skomplikowany układ prążków. Tak zarejestrowany hologram wystarczy oświetlić wiązką odniesienia, żeby odtworzyć przestrzenną strukturę frontów falowych światła odbitego od obiektu, a tym samym jego trójwymiarowy kształt.

    Wydawałoby się, że podobny mechanizm powinien działać także wtedy, gdy liczbę fotonów tworzących obie fale zredukuje się do minimum, a więc do jednego fotonu odniesienia i jednego odbitego od obiektu. Tak się jednak nie dzieje! Faza fali pojedynczego fotonu wciąż fluktuuje, co uniemożliwia klasyczną interferencję z innym fotonem. Fizycy z FUW stali więc przed zadaniem pozornie niemożliwym. Spróbowali jednak rozwiązać problem w inny sposób i zamiast klasycznej interferencji pól elektromagnetycznych podjęli próbę zarejestrowania innej interferencji, kwantowej, w której oddziaływałyby funkcje falowe fotonów.

    Funkcja falowa to absolutny fundament mechaniki kwantowej, rdzeń jej najważniejszego równania (równania Schroedingera). W rękach sprawnego fizyka funkcja ta pełni podobną rolę jak glina w rękach rzeźbiarza: umiejętnie ukształtowana, pozwala „ulepić” model układu cząstek kwantowych. Fizycy zawsze starają się poznać funkcję falową cząstki w danym układzie, ponieważ kwadrat jej modułu to rozkład prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w określonym stanie – a więc wiedza bardzo praktyczna.

    „Wszystko to być może brzmi nieco skomplikowanie, ale w praktyce główna idea naszego eksperymentu jest prosta: zamiast patrzeć na zmiany natężenia światła, popatrzmy na to, jak zmienia się prawdopodobieństwo zarejestrowania par fotonów po interferencji kwantowej”, wyjaśnia doktorant Jachura.

    Skąd pary fotonów? Rok temu Chrapkiewicz i Jachura za pomocą nowatorskiej kamery skonstruowanej na FUW sfilmowali, po raz pierwszy na świecie, zachowanie par rozróżnialnych i nierozróżnialnych fotonów wysłanych ku płytce światłodzielącej. Gdy fotony były rozróżnialne, pojawiały się za płytką przypadkowo: po jednym fotonie z każdej strony płytki bądź razem po jednej z jej stron. Fotony nierozróżnialne interferowały kwantowo i w efekcie zachowywały się inaczej: łączyły się w pary i opuszczały płytkę światłodzielącą zawsze razem, po jednej ze stron. Zjawisko to jest znane jako interferencja dwufotonowa lub efekt Hong-Ou-Mandela.

    „Po takim eksperymencie trudno było nie zadać sobie pytania, czy kwantowej interferencji dwufotonowej nie można byłoby wykorzystać podobnie jak interferencji klasycznej w holografii, do zebrania za pomocą znanego fotonu jakichś dodatkowych informacji o drugim, nieznanym fotonie. Z naszych analiz wyłonił się dość niespodziewany wniosek: okazało się, że gdy dwa fotony interferują kwantowo, przebieg tej interferencji zależy od kształtów ich frontów falowych”, mówi dr Chrapkiewicz.

    Interferencję kwantową można zaobserwować rejestrując jednocześnie parę fotonów. Eksperyment musiał być powtarzany wielokrotnie, zawsze z dwoma fotonami o cechach identycznych jak we wcześniejszym pomiarze. Aby zapewnić te warunki, doświadczenie za każdym razem zaczynano od dwóch fotonów o płaskich frontach falowych i prostopadłych polaryzacjach (co oznacza, że pole elektryczne każdego fotonu drgało tylko w jednej płaszczyźnie, a płaszczyzny te u obu fotonów były do siebie prostopadłe). Różna polaryzacja pozwalała rozdzielać fotony w odpowiednim krysztale i jeden z nich czynić „nieznanym” poprzez wykrzywienie jego frontów falowych za pomocą soczewki cylindrycznej. Po odbiciu od zwierciadeł oba fotony kierowano ku „płytce światłodzielącej”, której rolę pełnił kryształ kalcytu. Nie zmieniał on kierunku biegu fotonów spolaryzowanych pionowo, za to odchylał fotony spolaryzowane poziomo (aby wybór każdej drogi był jednakowo prawdopodobny i kryształ rzeczywiście działał jak płytka światłodzieląca, płaszczyzny polaryzacji fotonów skręcano przed nim o 45 stopni). Do rejestrowania fotonów użyto zaawansowanej kamery z poprzedniego eksperymentu. Powtarzając pomiary wielokrotnie otrzymano obraz interferencyjny odpowiadający hologramowi nieznanego fotonu oglądanemu z jednego punktu w przestrzeni. Obraz ten pozwalał w pełni zrekonstruować zarówno amplitudę jak i fazę funkcji falowej nieznanego fotonu.

    Eksperyment warszawskich fizyków ma istotne znaczenie dla lepszego zrozumienia najgłębszych podstaw mechaniki kwantowej. Do tej pory nie istniał żaden łatwy doświadczalny sposób zdobycia informacji o fazie funkcji falowej. I choć mechanika kwantowa znalazła liczne zastosowania, a w ciągu niemal stu lat istnienia potwierdzono ją wielokrotnie ze znakomitą dokładnością, do dziś nikt nie potrafi wyjaśnić, czym jest funkcja falowa: czy to tylko wygodne narzędzie matematyczne, czy może coś istniejącego realnie?

    „Nasz eksperyment jest jednym z pierwszych, który umożliwia bezpośrednią obserwację jednego z podstawowych parametrów funkcji falowej, jej fazy, przybliżając nas do zrozumienia, czym naprawdę może być funkcja falowa”, mówi doktorant Jachura.

    Holografię kwantową fizycy z FUW wykorzystali do zrekonstruowania funkcji falowej pojedynczego fotonu. Badacze mają nadzieję, że w podobny sposób w przyszłości uda się odtworzyć funkcję falową bardziej złożonych obiektów świata kwantów, np. niektórych atomów. Czy jednak holografia kwantowa znajdzie zastosowania poza laboratoriami, równie szerokie jak holografia klasyczna, której używa się dziś w różnego typu zabezpieczeniach (hologramy są trudne do podrobienia), w rozrywce, transporcie (w skanerach mierzących rozmiary przestrzenne ładunków), w obrazowaniu mikroskopowym oraz w optycznych technikach przechowywania i przetwarzania informacji?

    „Dziś trudno odpowiedzieć na to pytanie. Wszyscy – mam tu na myśli ogół fizyków – dopiero musimy się oswoić z nowym narzędziem. Prawdziwe zastosowania holografii kwantowej pojawią się prawdopodobnie za kilkadziesiąt lat i jeśli czegoś można być pewnym, to tylko tego, że z pewnością nas zaskoczą”, podsumowuje prof. Konrad Banaszek.


    Fizyka i astronomia na Uniwersytecie Warszawskim pojawiły się w 1816 roku w ramach ówczesnego Wydziału Filozofii. W roku 1825 powstało Obserwatorium Astronomiczne. Obecnie w skład Wydziału Fizyki UW wchodzą Instytuty: Fizyki Doświadczalnej, Fizyki Teoretycznej, Geofizyki, Katedra Metod Matematycznych oraz Obserwatorium Astronomiczne. Badania pokrywają niemal wszystkie dziedziny współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej do kosmologicznej. Kadra naukowo-dydaktyczna Wydziału składa się z ok. 200 nauczycieli akademickich, wśród których jest 88 pracowników z tytułem profesora. Na Wydziale Fizyki UW studiuje ok. 1000 studentów i ponad 170 doktorantów.


    PUBLIKACJE NAUKOWE:

    „Hologram of a Single Photon”; R. Chrapkiewicz, M. Jachura, K. Banaszek, W. Wasilewski; DOI: 10.1038/nphoton.2016.129


    Czy wiesz że...? (wersja beta)
    Teoria korpuskularna światła – teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie falowej teorii światła wzmacnianie i osłabianie wiązek świetlnych wyjaśnia się nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk, jak na przykład efektu fotoelektrycznego. Przyjmuje się więc, iż światło ma naturę dualną. Pomiar układu fizycznego wprowadza niezbędne oddziaływanie między przyrządem pomiarowym a układem. Ponieważ materia z natury jest kwantowa, to nie jest możliwe dowolne zmniejszenie tego oddziaływania. Jeżeli np. chcemy zaobserwować jakiś obiekt, to najczulszym "przyrządem pomiarowym" do realizacji tego celu będzie jeden foton. Jeżeli liczba atomów badanego obiektu będzie rzędu 10, to odrzut spowodowany uderzeniem fotonu w obiekt będzie niezauważalny. Więc możemy przyjąć, że obiekt nie doznał żadnego zakłócenia wskutek pomiaru. Natomiast jeżeli w analogiczny sposób chcielibyśmy "zmierzyć" elektron, to rozpatrując standardowe jego rozmiary rzędu 10m wymagają użycia fotonu o długości fali mniejszej od rozmiarów elektronu. Foton o takiej długości fali posiada energię rzędu 108 MeV. Gdyby badany elektron był elektronem atomu wodoru (energia wiązania kilka eV), to zderzenie fotonu z elektronem spowodowałoby w konsekwencji nieograniczony odrzut elektronu. Nie można jednak użyć do pomiaru mniejszej części fotonu ze względu na kwantową naturę pola elektromagnetycznego. Teoria korpuskularna światła to teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie tej teorii wzmacnianie lub osłabianie wiązek świetlnych wyjaśniamy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk, jak na przykład efektu fotoelektrycznego. Przyjmuje się więc, iż światło ma naturę dualną.

    Harald Weinfurter (ur. 14 maja 1960 w Steyr) – profesor fizyki w Uniwersytetecie Ludwiga Maximiliana (niem. Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU, Uniwersytet Monachijski). Specjalista w dziedzinie eksperymentów dotyczących podstaw mechaniki kwantowej, a w szczególności: kwantowej interferometrii ze skorelowanymi fotonami, kwantowego splątania, nierówności Bella, kwantowej komunikacji i przetwarzania informacji, kwantowej kryptografii i metrologii. Cząstki identyczne – cząstki nie różniące się pewną grupą własności fizycznych, takich jak masa, ładunek i spin. Cząstkami identycznymi są te same cząstki elementarne, np. elektrony, neutrina, kwarki lub fotony, ale identyczne mogą być również układy złożone: jądra atomów i całe atomy, a także struktury wieloatomowe, jeżeli tylko składają się z tej samej liczby i rodzaju cząstek elementarnych. Największą identyczną strukturą wieloatomową, dla której zaobserwowano zjawisko kwantowej interferencji jest składająca się z 430 atomów cząsteczka TPPF152 o średnicy około 6 nm.

    W mechanice kwantowej dywan kwantowy (ang. Quantum carpet) to regularny paraartystyczny wzór rysowany przez ewolucje funkcji falowej lub gęstość prawdopodobieństwa w przestrzeni iloczynu kartezjańskiego polożenia cząstki kwantowej i czasu lub w czasoprzestrzeni przypominający wzór artystyczny na zwykłym dywanie. Jest wynikiem interferencji funkcji falowej samej ze sobą podczas jej oddziaływania z odbijającymi warunkami brzegowymi. Np. w nieskończonej studni potencjału po rozpływaniu się początkowo dobrze zlokalizowanej gausowskiej funkcji falowej w środku studni poszczególne części funkcji falowej zaczynają się przekrywać i wzajemnie zaburzać po odbiciu lub oddziaływaniu z brzegami. Geometria dywanu kwantowego jest wyznaczona przez ułamkowe ożywienia funkcji falowej, których zmiana rzędu w czasie prowadzi do regularnych wzorów i liniowych wygaszeń. W mechanice kwantowej dywan kwantowy (ang. Quantum carpet) to regularny paraartystyczny wzór rysowany przez ewolucje funkcji falowej lub gęstość prawdopodobieństwa w przestrzeni iloczynu kartezjańskiego polożenia cząstki kwantowej i czasu lub w czasoprzestrzeni przypominający wzór artystyczny na zwykłym dywanie. Jest wynikiem interferencji funkcji falowej samej ze sobą podczas jej oddziaływania z odbijającymi warunkami brzegowymi. Np. w nieskończonej studni potencjału po rozpływaniu się początkowo dobrze zlokalizowanej gausowskiej funkcji falowej w środku studni poszczególne części funkcji falowej zaczynają się przekrywać i wzajemnie zaburzać po odbiciu lub oddziaływaniu z brzegami. Geometria dywanu kwantowego jest wyznaczona przez ułamkowe ożywienia funkcji falowej, których zmiana rzędu w czasie prowadzi do regularnych wzorów i liniowych wygaszeń.

    Orbita fotonowa - szczególna orbita fotonu wokół czarnej dziury, która charakteryzuje się tym, że odległość fotonu od centrum pola grawitacyjnego nie ulega zmianie w trakcie ruchu. Fotony krążą po takiej orbicie nie oddalając się ani nie zbliżając do czarnej dziury. W przypadku nierotującej czarnej dziury (rozwiązanie Schwarzschilda), orbita fotonowa znajduje się w odległości 1,5 promienia Schwarzschilda od centrum grawitacji, czyli wyraźnie ponad horyzontem czarnej dziury. Jest to orbita kołowa o najmniejszym możliwym promieniu – cząstki materialne mają orbity kołowe o promieniu zawsze większym od orbity fotonowej. Orbita fotonowa jest niestabilna, najmniejsze zaburzenie w ruchu fotonu spowoduje jego ucieczkę do nieskończoności lub spadnięcie pod horyzont czarnej dziury. Jeżeli czarna dziura rotuje (rozwiązanie Kerna), to ruch fotonu w płaszczyźnie równikowej zależy od tego, czy foton krąży po orbicie zgodnej czy przeciwnej do kierunku rotacji czarnej dziury. Istnieją wówczas dwie orbity fotonowe. Istnienie całej sfery orbit fotonowych nie tylko w płaszczyźnie równikowej, badał Teo (2003). Reabsorpcja fotonu – zjawisko pochłaniania wirtualnego fotonu wyemitowanego przez cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym. Emisja i reabsorpcja fotonu może wystąpić zarówno dla izolowanej cząstki, jak i podczas oddziaływania z inną cząstką naładowaną. Uwzględnienie tego zjawiska daje możliwość konstruowania różnych diagramów Feynmana dla oddziaływania cząstek. Umożliwia to uwzględnienie wszystkich procesów związanych z danym oddziaływaniem i w efekcie – obliczenie prawdopodobieństwa tego oddziaływania.

    W optyce emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) – proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z fotonem inicjującym. Warunkiem do tego, aby emisja wymuszona nastąpiła, jest równość energii fotonu z energią wzbudzenia atomu. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię – pełni tylko rolę wyzwalającą proces. Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (a więc również energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Zjawisko to jest podstawą działania laserów.

    Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem.

    Dekoherencja kwantowa – w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący, w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu, który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem. Długość fali Comptona, Komptonowska długość fali (KDF) - kwantowa własność cząstki. Pojęcie zostało wprowadzone przez Arthura Comptona w jego objaśnieniach dotyczących procesu rozpraszania fotonów przez elektrony (proces ten określany jest mianem rozpraszania komptonowskiego). Długość fali Comptona cząstki jest równa długości fali fotonu, którego energia jest taka sama jak masa spoczynkowa cząstki.

    Teoria de Broglie-Bohma, znana też jako teoria fali pilotującej, Mechanika Bohma lub interpretacja Bohma oraz interpretacja przyczynowa, jest interpretacją mechaniki kwantowej. Teoria zakłada, że stan układu fizycznego zależy od funkcji falowej określonej w przestrzeni konfiguracyjnej układu, jak również sam układ znajduje się w każdej chwili w jednej z możliwych konfiguracji (którą stanowią pozycje wszystkich cząstek układu lub stany wszystkich pól fizycznych). To ostatnie założenie nie występuje w standadowej interpretacji mechaniki kwantowej, która zakłada, że do momentu pomiaru stan układu jest wyłącznie zadany funkcją falową, co prowadzi do paradoksu (paradoks kota Schrödingera). Ewolucja funkcji falowej w czasie dana jest równaniem Schrödingera, zaś ewolucja konfiguracji układu zależy od funkcji falowej za pośrednictwem tzw. równania fali pilotującej. Teoria została opracowana przez Louisie de Broglie (1892-1987), a później ponownie odkryta i dopracowana przez Davida Bohma (1917-1992). Wymuszone rozpraszanie Comptona jest to zjawisko polegające na zderzeniu fotonu z elektronem w obecności wiązki fotonów, która wymusza stan końcowy fotonu, a z uwagi na zasady zachowania pędu i energii - także elektronu. W wyniku tego zjawiska wymuszająca wiązka fotonów ulega wzmocnieniu, ponieważ pojawia się w niej jeden foton więcej. Za doświadczalne potwierdzenie tego zjawiska uważa się zaobserwowanie tzw. efektu Kapitzy-Diraca, aczkolwiek istnieją pewne wątpliwości, czy aby na pewno udało się ten efekt zaobserwować.

    Prawo równoważności fotochemicznej (Einsteina-Starka) głosi, że absorpcja jednego fotonu powoduje zajście pierwotnego procesu (fizycznego lub chemicznego) w jednej cząsteczce absorbującej substancji. Kwantowa mechanika statystyczna – interpretacja mechaniki kwantowej, w której przyjmuje się, że wszystkie przewidywania mechaniki kwantowej odnoszą się nie do pojedynczego obiektu, a do zespołu obiektów kwantowych.

    Dodano: 28.07.2016. 21:51  


    Najnowsze