когерентный свет

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

По оптоволокну данные летят со скоростью света, но дорога не идеальна: сигнал мутнеет, как голос в длинном коридоре. Чем выше скорость и дальше расстояние, тем сильнее искажения. Обычно их исправляют электроникой, но она не поспевает за светом. Учёные собрали световой компьютер из нескольких лазеров, связанных в цепочку.

В зале с тысячей зрителей аплодисменты сливаются в общий шум, но стоит кому-то сбиться с ритма — и по залу пробегает рябь. Квантовый мир устроен похоже: атомы в ловушке могут вести себя как единое целое, а могут рассыпаться на независимых одиночек.

Камера смотрит на две далёкие искры. Они так близко друг к другу, что сливаются в одно мутное пятнышко. Кажется, разглядеть их по отдельности уже невозможно — классический предел оптического разрешения пройден. Но квантовая механика подсказывает: световое поле всё ещё хранит тайну о том, где именно сидит каждая искра.

Оркестр без дирижёра, где музыканты слышат друг друга через общую стену. Примерно так устроен новый тип лазера: несколько атомов (излучателей) сидят вдоль световода — тонкой дорожки для света на чипе. Свет от каждого атома бежит по этой дорожке и влияет на соседей. Возникает коллективная игра, где атомы излучают согласованно, как смычки, взлетающие в один миг. Но есть нюанс.

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

Переводчик записывает многочасовой разговор. Если он попытается удержать в голове весь диалог целиком, к концу неизбежно переврёт детали. Примерно так работают гравитационные обсерватории: они слушают «разговор» массивных тел, сближающихся по спирали.

Свет от обычной лампочки кажется совершенно беспорядочным: волны в нём колеблются несогласованно, словно толпа, где каждый идёт в свою сторону. Такой свет называют некогерентным. Долгое время считалось, что изящные топологические структуры — узлы, кольца, зацепления — можно создавать только в когерентном лазерном свете, где все волны идут в ногу.

Свет может быть не просто лучом, а точнейшей линейкой. Если взять очень короткие вспышки — короче, чем взмах крыла мухи, — и пустить их одна за другой, получится оптическая гребёнка: набор цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые промежутки, как зубья расчёски. Такая радуга позволяет измерять расстояния, время и состав веществ с немыслимой точностью.

Строй солдат шагает по плацу. Пока все держат ногу, движение остаётся чётким и слаженным. Но стоит кому-то сбиться — стройность теряется. В микромире роль такого строя играют электроны: когда их колебания синхронны, вещество излучает узкую, резкую линию. Как только синхронность пропадает — линия размывается.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

Два музыканта в разных комнатах играют одну ноту. Звук должен быть настолько одинаковым, чтобы слушатель не смог определить, кто играет. В квантовом мире роль таких музыкантов исполняют источники одиночных фотонов — частиц света, которые должны быть неотличимы друг от друга. Без этого не построить ни квантовый компьютер, ни защищённую сеть связи.

Обычный лазер светит узкими линиями, как струна, которая звучит только на одной ноте. Для спектроскопии это неудобно: если вещество поглощает свет между линиями, его можно не заметить. Терагерцовый квантово-каскадный лазер — это полупроводниковый чип размером с ноготь, который излучает волны с частотой от 1 до 6 терагерц (триллионов колебаний в секунду).

Пламя свечи дрожит от сквозняка, но не гаснет — язычок лишь на миг меняет очертания и возвращается. Примерно так же ведут себя световые скирмионы — крошечные вихри в поле луча, напоминающие закрученные водовороты. До недавнего времени их получали только в идеальном, ровном свете лазера. Малейшая рябь — и вихрь рассыпался.

Камень падает в пруд. Круги расходятся, затухают — и вот уже поверхность снова гладкая. Но что, если у пруда нет ни берегов, ни дна, ни даже характерного размера волны? Именно в таком мире — мире без масштаба — живут квантовые системы, когда их окружает среда, не выделяющая ни одной длины или энергии. Вода в таком пруду всегда «помнит» форму камня, и волны никогда не успокаиваются до конца.

Атомы в пучке летят с разными скоростями, как бегуны на стадионе. Обычный лазерный импульс толкает только тех, кто бежит с одной скоростью, а новый действует как тренер, раздающий команды сразу всей группе. Такой подход вовлекает в измерение больше атомов.

Квантовая точка — это как одиночная лампа, которая включается и выключается по команде лазера, испуская ровно один фотон за раз. Но у такого света есть особенность: фотоны не дружат между собой, они летят независимо, как случайные капли из крана.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

Ровный лазерный луч — как натянутая струна: если она хоть чуть-чуть дрожит, музыка превращается в какофонию. В квантовом компьютере лазер удерживает атомы в ловушке, и любая дрожь частоты ломает вычисление. Поэтому раньше лазерные установки занимали целые столы, а настройка занимала недели.

Внутри кристалла нитрида бора иногда встречаются дефекты — места, где атомы выбиты или стоят не так, как положено. Один из таких дефектов, B-центр, умеет испускать свет: он поглощает энергию и отдаёт её в виде одного-единственного фотона. Это как крошечная лампочка, которая загорается только тогда, когда её попросят, и не даёт лишнего света.

Двое часов в разных комнатах должны тикать в такт. Обычно для этого посылают яркие импульсы или пары фотонов, которые приходят точно друг за другом. Но сигнал может быть настолько слабым, что фотоны еле долетают. В этой работе часы синхронизировали светом, который в миллиард раз тусклее обычного. Спектроскопия тут ни при чём, но время связано со светом напрямую.

Обычный лазер подобен хору, где каждый певец исполняет партию сам по себе — звук получается громким, но с неизбежными шероховатостями. В новом квантовом лазере атомы, словно певцы, слышат друг друга и выравнивают свои «голоса».

Солнечный свет — это бурный поток, несущий неразлучные пары капель. Так выглядит квантовая запутанность — явление, при котором две частицы настолько связаны, что колебание одной мгновенно отзывается в другой, даже на большом расстоянии. Раньше для создания таких пар требовалась «спокойная заводь» — идеально выверенный лазерный луч.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Свет от одной лампочки обычно расходится во все стороны, и поймать его ровно поровну в несколько каналов — та ещё головоломка. В новой работе свет делится на девять одинаковых лучей без единой линзы или зеркала. Вместо этого — стеклянная пластинка с вытравленными дорожками-световодами, по которым свет сам растекается нужным образом.

В лаборатории на столе стоит лазерная ловушка — невидимая рука, которая держит в воздухе стеклянный шарик размером с бактерию. Рядом — зеркальный резонатор, где свет мечется между двумя отражающими стенами. Учёные заставили шарик и свет обменяться квантовой запутанностью: теперь их состояния связаны так, что, измерив одно, мгновенно узнаёшь другое.

Свет одной-единственной молекулы — как одинокий голос в огромном хоре. Чтобы услышать его, нужен не микрофон, а тонкий инструмент, который ловит каждый фотон и отмечает время его прихода. Именно такой прибор собрали исследователи: он измеряет не только яркость и цвет свечения, но и то, как часто фотоны приходят парами — это называется статистикой второго порядка.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

Настройщик рояля в шумном зале не слушает все звуки подряд — он выделяет одну струну среди десятков. Похожую задачу решает новый лазерный радар: среди множества отражённых лучей он находит те, что несут информацию о вибрации цели. Обычный радар посылает короткий импульс и ждёт эхо. Но если объект дрожит, эхо смазывается.

Волоконный лазер со случайной обратной связью — это тонкая нить из стекла, по которой свет бежит, но отражается не от зеркал, а от мельчайших неоднородностей самого волокна. Такой лазер не выдаёт ровный луч: его свет дрожит и вспыхивает, как пламя свечи на сквозняке.

Квантовые устройства обычно держат в криостатах — больших термосах, где температура ниже, чем в открытом космосе. Ион эрбия, запертый в крошечной ловушке на кремниевом чипе, ломает эту традицию. Он работает прямо на столе, при комнатной температуре, и помнит квантовое состояние полмиллисекунды.

Лазерная указка светит ровным пятном: все световые волны в ней идут в ногу, как солдаты на параде. Такой свет называют когерентным. Но в природе и технике встречается и другой свет — «растрёпанный», где волны не согласованы, как толпа на рынке. Его называют частично когерентным. Долгое время его считали лишь помехой, но недавно выяснилось: в некоторых линиях связи он работает даже лучше ровного.

Внутри крошечной зеркальной полости, размером меньше толщины волоса, свет заперт и многократно отражается от стенок. Если туда поместить вещество, способное поглощать и испускать свет, то частицы света (фотоны) начинают «одеваться» в возбуждения вещества — так рождаются поляритонные моды.

Солнце своей гравитацией создаёт невидимый «бокал», в котором тёмная материя особого сорта — ультралёгкая — не плещется хаотично, а занимает строгие энергетические ступени, будто прозрачные слои жидкости разной плотности.

Свет от одного источника можно заставить «встретиться» с самим собой, и тогда на экране возникают полосы — как рябь от двух брошенных в воду камешков. Физики давно научились так делать с двумя фотонами, но заставить слиться сразу четыре частицы света было сложно: источники одиночных фотонов теряли слишком много частиц по дороге.

Подобно турникету, пропускающему посетителей лишь в одном направлении, физики создали устройство на полупроводниковом чипе, которое направляет одиночные фотоны — кванты света — строго вперёд, блокируя обратный ход.

Обычный свет рассеивается во все стороны, но физики превратили его в подобие конвейерной ленты — односторонний поток, который не поворачивает обратно. Для этого они пропустили два встречных луча через облако атомов Ридберга — атомов, раздутых до размеров крошечной пылинки. Тепловое дрожание этих гигантов нарушает симметрию, заставляя свет двигаться лишь вперёд.

Солнечный свет, собранный линзой Френеля и пропущенный через 20 метров пластикового волокна, имел мощность всего 3 микроватта — в миллион раз меньше, чем у типичной лазерной указки. Этого хватило, чтобы в нелинейном кристалле родились пары фотонов, связанные положением. Один фотон из пары проходил через объект, второй сканировался детектором, а совпадения рисовали изображение.