Фізики-теоретики з Мессинського університету (Італія) описали експеримент, в якому за допомогою одного фотона можна порушити відразу два атоми. При цьому релаксація обох атомів відбуватиметься одночасно - з випусканням строго одного фотона. Зворотна ситуація - збудження одного атома за допомогою двох фотонів - добре відома і використовується в деяких техніках мікроскопії. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє.
Ізольований атом може володіти лише певним суворо заданим набором енергій, які називаються енергетичними рівнями. У вільному стані частинка прагне володіти мінімальною енергією, яка відповідає основному або невіднятому стану. Але якщо направити на таку частинку фотон, енергії якого в точності вистачає для «стрибка» атома до наступного енергетичного рівня, то атом може його поглинути, зробивши цей перехід. Це спостереження підтверджується існуванням ліній поглинання у спектрах атомів.
Якщо енергія фотона менша, ніж потрібно для стрибка, збудження атома неможливе - у «сходах» рівнів енергій немає проміжних сходів. Однак, з цього правила є виняток: якщо один фотон забезпечує в точності половину стрибка, то існує шанс, що атом поглине відразу два кванти і збудиться. Явище двофотонного поглинання використовується в мікроскопії надвисокої роздільної здатності. Крім того, існують експерименти, в яких атом, переходячи з збудженого стану в основний, випускає відразу два заплутаних фотони.
Автори запропонували експеримент і механізм, який дозволив би здійснити зворотну дію - порушити два або більше атомів за допомогою одного фотона. В основі експерименту лежить оптичний резонатор - порожнина, здатна підтримувати стоячу хвилю світла з певною довжиною. Вчені запропонували помістити в цей резонатор два атоми, енергії збудження яких в точності відповідають фотонам з довжиною хвилі в два рази більше, ніж довжина стоячої хвилі, підтримуваної порожниною. Це відповідає енергії вдвічі меншій, ніж енергія резонансного фотону.
За розрахунками вчених, система з трьох частинок - двох атомів і фотона - може виявитися заплутаною завдяки віртуальним фотонам. Ці частинки виникають і зникають внаслідок флуктуацій вакууму. Атом може тимчасово «скористатися» таким віртуальним фотоном і перейти в збуджений стан. У підсумку система з трьох частинок виявляється одночасно в двох станах: два атоми в основному стані і фотон в порожнині або два збуджених атома і відсутність фотона в порожнині. Подібна суперпозиція при вимірі перетворюється один з цих станів. Фізики стверджують, що її можна повністю зрушити в ситуацію з двома збудженими атомами.
Автори відзначають, що аналогічним чином можна домогтися збудження відразу трьох атомів - для цього буде потрібно оптичний резонатор з енергією резонансного фотона в три рази більшою, ніж необхідної одним атомом. Один з додатків такого ефекту - створення заплутаних станів для квантової криптографії. Незалежний експерт - Тетяна Вілк з Інституту квантової оптики суспільства Макса Планка - зауважує, що хоча саме явище здається цікавим, резонансні порожнини не можуть забезпечити великого часу життя заплутаного стану.
Ефект, описаний фізиками, ще не спостерігався на практиці, тому вчені пропонують можливу схему експерименту. Замість атомів автори пропонують використовувати «штучні атоми» - макроскопічні системи з строго заданим набором енергетичних рівнів. У їх ролі можуть виступати, наприклад, надпровідні кільця.
Оптичні резонатори знаходять застосування як у різних квантових системах (зокрема, їх пропонують використовувати як елементи пам'яті фотонних комп'ютерів), так і в лазерній техніці. Наприклад, за допомогою резонаторів можна перетворити живі клітини на активне середовище лазерів. Крім того, плоскі резонатори на основі ефекту шепочучої галереї дозволили створити плоский лазер.