Исследователи наблюдали отдельные фотоны вынужденного излучения от одного искусственного атома (квантовой точки). Исследование опубликовано в журнале Nature Physics. Физики из Сиднейского и Базельского университетов впервые продемонстрировали способность манипулировать и идентифицировать небольшое количество взаимодействующих фотонов — пакетов световой энергии — с высокой точностью. Технология поможет в развитии квантовых вычислений и медицинской визуализации.

Вынужденное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы из одного состояния в другое — было описано Альбертом Эйнштейном и используется для работы лазеров. Традиционно оно наблюдается для множества фотонов.

В новом исследовании физики наблюдали вынужденное излучение одиночных фотонов. Они измерили прямую временную задержку между одиночным фотоном и парой связанных фотонов, рассеянных на одиночной квантовой точке.

Устройство, которое мы построили, индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между одним фотоном, взаимодействующим с ним, по сравнению с двумя. Мы заметили, что один фотон задерживается на большее время по сравнению с двумя фотонами. При этом действительно сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона запутываются в форме того, что называется двухфотонным связанным состоянием, – Наташа Томм, соавтор исследования из Базельского университета.

Экспериментальное (слева) и теоретическое (справа) наблюдение однофотонной и двухфотонной дисперсии задержки связанного состояния. Изображение: Natasha Tomm et al., Nature Physics

«Квантовый свет», который наблюдали ученые, позволяет проводить более точные измерения с лучшим разрешением, используя меньшее количество фотонов, отмечают ученые. Это может быть важно для применений в биологической микроскопии, когда большая интенсивность света может повредить образцы и когда наблюдаемые объекты и явления особенно малы.

Свет часто используется для измерения небольших расстояний с помощью инструментов, называемых интерферометрами. Законы квантовой механики устанавливают пределы чувствительности таких устройств. Этот предел связан с тем, насколько чувствительным может быть измерение и средним числом фотонов в измерительном устройстве. «Квантовый свет» в этих аспектах превосходит лазерный пучок.