Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя. Каждый фотон слегка искажает путь для следующего — как если бы идущие гуськом люди поочерёдно наступали на одну и ту же пружинящую половицу.
Авторы новой работы рассчитали, что при реалистичных параметрах таких линий взаимодействие фотонов можно усилить настолько, что они перестают вести себя как независимые частицы. Вместо этого они образуют особое состояние — газ Тонкса-Жирардо. В этом состоянии фотоны подражают фермионам: частицам, которые не могут занимать одно и то же место одновременно. Свет как будто становится «твёрже» и приобретает внутреннюю структуру, похожую на очередь из людей, каждый из которых держит дистанцию.
Практическая ценность идеи в том, что её можно проверить уже сейчас: достаточно измерить, как свет, прошедший через такую линию, распределяется по времени. Если фотоны действительно стали «фермионизированными», в этом распределении появятся характерные провалы — следы того, что частицы избегают друг друга. Такая платформа может стать основой для квантовых симуляторов, где свет моделирует поведение сложных материалов, и для новых типов квантовых вычислений.
Идея заставить свет вести себя как твёрдое тело не нова, но раньше для этого требовались громоздкие резонаторы. Здесь же всё происходит в распространяющейся геометрии — свет не заперт в коробочке, а движется по линии, как вода по жёлобу. И если жёлоб сделать правильно, вода вдруг начинает течь не сплошным потоком, а отдельными «порциями», которые расталкивают друг друга локтями.
Газ Тонкса-Жирардо был предсказан в 1960-х и впервые реализован в 2004 году с ультрахолодными атомами. Теперь его хотят создать из фотонов в сверхпроводящих чипах — при температурах в сотни раз ниже комнатной.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» свет используется для создания вычислительных сред с экзотической топологией — идея, перекликающаяся с попытками придать фотонам сильные корреляции.