Квантови тайни на светлината: Светлите и тъмните състояния създават интерференчната картина

Класическата и квантовата физика рисуват много различни картини за това как се формират интерференчните модели на светлината, но коя физика е по-близо до истината?

Когато две или повече светлинни вълни взаимодействат една с друга, товае води до образуването на различни интерференчни картини. Британският физик Томас Йънг за първи път демонстрира и обяснява тези шарки през 1801 г. с известния си експеримент с двойния процеп.

Дори след повече от 200 години от откриването им, интерференцията на светлината продължава да интригува учените. Например класическата физика предполага, че когато две светлинни вълни се срещнат, те могат или да се усилят (конструктивна интерференция), или да се унищожат (деструктивна интерференция), което води до тези модели.

Кредит: Wikimedia Commons 

Това класическо обяснение обаче се сблъсква със затруднения, когато навлезем в квантовия свят. Квантовата механика предполага, че дори когато светлинните вълни се унищожават взаимно, светлината не може да изчезне просто така. Вместо това тя остава под формата на фотони и продължава да взаимодейства с материята.

Това несъответствие между класическите и квантовите възгледи дълго време озадачаваше учените. Ново изследване обаче се опитва да запълни тази празнина. То предполага, че класическите модели на интерференция възникват от специфични квантови състояния на светлината, наречени светли и тъмни състояния.

Това прозрение може да промени разбирането ни за поведението на светлината и да повлияе на области като квантовите компютри и оптичните комуникации. Ето един задълбочен поглед върху тези квантови състояния и как авторите на изследването са ги проучили.

Странното взаимодействие между фотоните и материята

Изследователите преразглеждат класическия експеримент с двойния процеп, но с квантово усукване. Вместо да разглеждат светлината единствено като вълна, те я разглеждат като съставена от фотони.

Те си представили ситуация, в която атом е изложен на две светлинни полета, като всяко поле може да бъде в състояние с нула или един фотон. Това им помага да представят интерференцията не само от гледна точка на припокриване на вълни, но и от гледна точка на поведението на отделните фотони.

Идеята им е вдъхновена от концепциите, въведени от физика Робърт Дике (Robert Dicke) през 50-те години на миналия век. Дике е показал, че когато множество атоми взаимодействат със светлина, те могат да образуват специални светли и тъмни състояния. В първото състояние атомите работят заедно, за да взаимодействат силно със светлината, което прави ефектите им лесни за откриване.

В същото време във второто състояние атомите се комбинират по такъв начин, че изобщо не взаимодействат със светлината, като напълно се скриват. Изследователите осъзнават, че същата идея може да се приложи не само към атомите, но и към самите светлинни полета.

И така, новото изследване предполага, че светлите състояния са ситуации, в които фотоните са подредени по начин, който им позволява да взаимодействат с материята, предизвиквайки откриваеми ефекти като възбуждане на атом. От друга страна, тъмните състояния са конфигурации, в които фотоните все още присъстват, но не взаимодействат, което ги прави невидими за обичайните методи за откриване.

Като анализира внимателно как се формират и държат тези светли и тъмни състояния, екипът стига до заключението, че интерференчните шарки, наблюдавани в класическите експерименти, всъщност могат да бъдат обяснени чрез разпределението на тези светли и тъмни квантови състояния.

Това означава, че светлите области в картината съответстват на светлите състояния, в които фотоните са активни и могат да бъдат открити, докато тъмните области съответстват на тъмните състояния, в които фотоните остават скрити, но продължават да съществуват.

Интерференция с двоен процеп. Фотоните пристигат навсякъде по екрана, но в светлите/тъмните области съответно в светло/тъмно квантово състояние, което може/не може да възбуди атома, който се използва за наблюдение на модела на интерференция. Кредит: Villas-Boas et al

Интерференцията има квантов произход

Този нов подход напълно променя начина, по който учените тълкуват интерференцията. Например вместо да се разглежда просто като резултат от припокриване на вълни, които се унищожават взаимно, интерференцията вече може да се разбира като резултат от скрити квантови структури в самата светлина.

Ако бъде потвърдена, тази теория може да има дълбоки последици, тъй като дава единна рамка, която свързва класическите и квантовите описания на светлината. Учените могат да използват прозренията от тази рамка, за да подобрят контрола и манипулирането на кубити с помощта на светлина.

Освен това по-доброто разбиране на взаимодействията между светлината и материята може да подобри ефективността и сигурността на предаването на данни в квантовите оптични системи.

"По мое скромно мнение нашето описание е важмо, тъй като предоставя квантова картина (с частици) на класическата интерференция (с вълни): максимумите и минимумите са резултат от вплетени светли (които се свързват) и тъмни (които не се свързват) състояния на частиците", коментира Герхард Ремпе (Gerhard Rempe), един от авторите на изследването и директор в Института по квантова оптика "Макс Планк".

Все пак, въпреки че този квантов поглед върху класическата интерференция предлага убедително обяснение, на този етап той е предимно теоретичен. Дали учените ще могат да докажат експериментално съществуването на тъмните и светлите състояния, предстои да разберем.

Справка:

Celso J. Villas-Boas et al, Bright and Dark States of Light: The Quantum Origin of Classical Interference, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.133603. On arXiv: arxiv.org/html/2112.05512v2

Coherence in Spontaneous Radiation Processes; R. H. DICKE; Palmer Physical I.aboratory, Princeton University, Princeton, See Jersey; PHYSICAL REVIEW (Received August 25, 1953) https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.93.99 

Източник: New quantum optics theory proposes that classical interference arises from bright and dark states of light, Ingrid Fadelli, Phys.org

Още по темата

05/04/2023

Физика

Светлината взаимодейства с миналото си в обърнат експеримент с двоен процеп

01/06/2022

Физика

Измерено: В експеримента с двойния процеп всяка частица поема и по двата пътя едновременно

09/01/2017

Физика

Екзотично оплитане на светлината в квантов опит с три процепа

10/11/2016

Физика

Двойният процеп може би крие теорията на всичко (видео)