Благодаря постселекции облако атомов в основном состоянии может гасить и усиливать падающий на него лазерный луч даже в том случае, если состояние атомов не изменяется. Ключевую роль в этом эффекте играет переменное и заранее неизвестное число фотонов, содержащихся в падающем пучке.

Теоретическую статью с описанием эффекта американские физики опубликовали в Physical Review A, а препринт статьи выложили на сайте arXiv.org.

Если достаточно сильно охладить облако атомов и некоторое время подождать, то все атомы «свалятся» в основное состояние, в котором их энергия минимальна. Такое облако поглощает фотоны, но не может их испускать. Следовательно, если пропустить сквозь него лазерный луч, атомы будут «выдергивать» из него фотоны и отбирать энергию.

Впрочем, в квантовой механике процесс поглощения фотона происходит не наверняка, поэтому с небольшой вероятностью атомы могут остаться в основном состоянии даже после пропускания лазерного луча. Естественно ожидать, что после такой обработки энергия луча не изменится.

Тем не менее, в квантовой механике такие интуитивные соображения не всегда работают. Например, в 2017 году группа исследователей под руководством Джеймса Франсона (James Franson) теоретически показала , что оптический параметрический усилитель может подавлять излучение даже в том случае, если его вспомогательная мода (idler mode) не содержит фотонов. Для этого нужно провести постселекцию квантового состояния усилителя, то есть намеренно выбрать состояния без фотонов и «выбросить» остальные состояния. После такой обработки будет казаться, что усилитель ничего не делает, однако интенсивность выходящего (сигнального) лазерного луча будет уменьшаться.

По словам ученых, такое контринтуитивное поведение можно легко объяснить, если вспомнить, что падающий на усилитель лазерный пучок в каждом эксперименте содержит неопределенное число фотонов. С одной стороны, чем больше фотонов в падающем пучке, тем больше вероятность, что какой-либо из атомов перейдет в возбужденное состояние. С другой стороны, при постобработке мы выбираем только такие состояния, в которых с атомным облаком ничего не происходит. Следовательно, при постобработке эксперименты с бо́льшим числом падающих фотонов будут учитываться с меньшим весом, и среднее число фотонов на выходе будет меньше среднего числа фотонов на входе. При этом закон сохранения энергии не нарушается — «отбракованные» фотоны просто не попадают в детектор.

В новой статье та же группа повторила эти рассуждения для облака атомов и показала, что после постселекции оно также ослабляет сигнал без видимых изменений квантового состояния.