Výskumníci dokázali niečo, čo sa celé desaťročia zdalo nemožné: Pozri sa, takto vyzerá fotón

Výskumníci z University of Birmingham vo svojej novej práci dokázali vysvetliť ako svetlo interaguje s hmotou na kvantovej úrovni. To umožnilo výskumníkom po prvýkrát v histórii definovať presný tvar jedného jediného fotónu. 

V rámci novej štúdie výskumníci skúmajú povahu fotónov, individuálnych častíc svetla. Ich práca sa pozerá na fotóny v doteraz nevidenom detaile a ukazuje ako sú fotóny vyžarované atómami alebo molekulami a ako sú tvarované prostredím v ktorom sa nachádzajú. 

Interakcia fotónov s atómami a molekulami a povaha tejto interakcie vedie k nekonečným možnostiam pre svetlo, aby existovalo a aby sa šírilo, alebo aby cestovalo cez okolité prostredie. Tieto nekonečné možnosti ale výskumníkom neuveriteľne komplikujú modelovanie interakcií fotónov. Ide o niečo, s čím sa kvantoví fyzici pasujú už niekoľko desaťročí. 

Ako vyzerá fotón?

Nová štúdia sa ale na takéto ťažko modelovateľné interakcie pozerá z iného svetla. Autorom sa podarilo nekonečne veľa možností zoskupiť do špecifických skupín, na základe ktorých dokázali autori vyprodukovať model, ktorý popisuje nielen interakcie medzi fotónmi a objektom ktorý fotóny vyžaruje, ale zároveň dokázali modelovať aj to ako energia z interakcie fotónov cestuje do takzvaného vzdialeného poľa. 

Najväčším úspechom štúdie je ale to, že na základe svojich kalkulácií a vytvoreného modelu dokázali po prvýkrát v histórii vytvoriť vizualizáciu samotného fotónu. 

“Naše kalkulácie nám umožnili pretvoriť zdanlivo nevyriešiteľný problém na niečo čo môže byť vypočítateľné. Zároveň skoro ako vedľajší produkt nášho modelu sa nám podarilo vyprodukovať obraz fotónu, čo je niečo, čo sa vo fyzike ešte nikomu nikdy nepodarilo,” vyjadril sa doktor Benjamin Yuen, jeden z autorov štúdie.  

Práca vedcov je významná preto, lebo otvára vedcom nové možnosti vo výskume kvantovej fyziky a materiálových vied. Mať v rukách možnosť presne definovať ako fotón interaguje s hmotou a s inými prvkami vo svojom prostredí, dáva výskumníkom nové možnosti na vývoj takzvaných nanofotonických technológií. Tieto technológie môžu zmeniť to, ako komunikujeme zabezpečenou formou, odhaľujeme nové patogény alebo ovládame chemické reakcie na molekulárnej úrovni. 

“ V rámci našej práce sme zistili, že geometria a optické vlastnosti prostredia majú výrazný dopad na to, ako sa fotóny vyžarujú. Tieto vlastnosti zároveň definujú tvar fotónu jeho farbu, dokonca ovplyvňujú aj to aká je pravdepodobnosť toho, že fotón bude vôbec existovať,” vysvetľuje spoluautorka štúdie, Angela Demetriadou.

Zo šumu vytiahli veľké množstvo informácií

Autori štúdie na záver dodávajú, že ich práca nám pomáha lepšie pochopiť to, ako prebieha výmena energie medzi svetlom a hmotou. Zároveň nám však pomáha aj lepšie pochopiť to, ako sa svetlo vyžaruje do svojho blízkeho ale aj vzdialenejšieho okolia. Informácie, ktoré sú obsiahnuté v spôsobe ako sa svetlo do svojho okolia vyžaruje, sa v predchádzajúcich výskumoch považovali len za šum. Nový výskum nám ale ukázal, že v tomto zdanlivom šume sa nachádza obrovské množstvo informácií. Tie nám postupne začínajú dávať zmysel.  

Pochopením týchto informácií môžeme získať schopnosť vytvoriť v laboratórnych podmienkach interakcie medzi svetlom a hmotou. V budúcnosti by sme mohli tieto interakcie využiť na to, aby sme vytvorili lepšie senzory alebo vyrobili lepšie fotovoltaické energetické články. Autori štúdie ale predpokladajú že zistenia z ich práce by nám mohli pomôcť aj pri vytvorení  prvého funkčného kvantového počítača. 

Kvantové počítače sa považujú za technológiu, ktorá dokáže výkonom niekoľkonásobne prekonať klasické počítače. Zatiaľ čo počítače pracujú na klasických bitoch ktoré môžu nadobudnúť hodnotu buď 1 alebo 0, kvantové počítače pracujú s takzvanými kvantovými bitmi. Ide o technológiu, ktorá môže nabrať hodnoty klasických bitov, teda 1 alebo 0. Zároveň môže byť aj v stave kvantovej superpozície. To je stav, kedy sa kvantový bit nachádza v oboch pozíciách súčasne.