Точная форма фотона впервые определена благодаря новой теоретической модели

Разработав новую теорию, описывающую взаимодействие света и материи на квантовом уровне, исследователи впервые определили точное математическое представление квантового состояния одного фотона. В частности, модель беспрецедентно детально исследует то, как фотоны формируются под воздействием окружающей среды. Эта работа может иметь серьезные последствия для квантовой визуализации и коммуникационных технологий.

То, как движется фотон, зависит от сложности геометрии его окружения или свойств материи, с которой он взаимодействует. Эти факторы определяют их излучательное поведение — от формы до цвета (как при прохождении через цветной витраж или кристалл) и флуоресценции. «Геометрия и оптические свойства окружающей среды оказывают глубокое влияние на способ излучения фотонов, в частности на определение их формы, цвета и даже вероятности их существования», — объясняет Анжела Деметриаду из Бирмингемского университета (Великобритания) в пресс-релизе.

Это сложное взаимодействие порождает практически безграничные возможности для того, как свет перемещается в окружающей среде. Однако такое разнообразие делает чрезвычайно сложным моделирование этих взаимодействий — проблема, которую физики пытаются решить уже несколько десятилетий. Чтобы смоделировать их как можно лучше, были предложены квантовые излучатели (атомы, флуоресцентные молекулы, квантовые точки и т.д.) в сочетании с геометрически сложными фотонными устройствами, но пробелы остаются, особенно в точности моделей или экспериментальных предсказаний.

Чтобы заполнить эти пробелы, Деметриаду и её коллега и ведущий автор нового исследования Бенджамин Юэнь из Школы физики Бирмингемского университета предлагают новую теоретическую модель, детально отражающую взаимодействие фотонов с квантовыми излучателями и то, как они формируются под влиянием окружающей среды. Расчеты позволили впервые определить точное математическое представление квантового состояния одного фотона в зависимости от окружения и материи, с которой он взаимодействует.

По словам Юэня, «наши расчеты позволили превратить, казалось бы, неразрешимую проблему в нечто, поддающееся вычислению». И, как побочный продукт модели, мы смогли создать это подробное теоретическое представление фотона, что является беспрецедентным достижением в теоретической физике».

Полное описание взаимодействия света и материи с помощью квантовой электродинамики

Чтобы разработать свою модель, исследователи провели полное описание взаимодействия света и материи с помощью квантовой электродинамики для фотонных устройств. В частности, они сгруппировали различные возможности взаимодействия в отдельные наборы. Модель позволила описать не только взаимодействие между фотоном и квантовым излучателем, но и то, как энергия этого взаимодействия перемещается в дальнем поле.

Ближнее и дальнее поле — это области электромагнитного поля, излучаемого вокруг объекта, т.е. то, как рассеивается излучение от объекта. Интенсивность излучения дальнего поля уменьшается по мере увеличения расстояния от источника излучения.

«Эта работа помогает нам лучше понять обмен энергией между светом и веществом, а во-вторых, лучше понять, как свет излучается в ближнем и дальнем окружении», — объясняет Юэнь. «Большая часть этой информации ранее считалась просто «шумом», но теперь она содержит так много информации, что мы можем понять и использовать ее», — добавляет он.

Эти результаты могут иметь значение для многих областей, таких как визуализация, квантовая физика, материаловедение и так далее. Точное моделирование взаимодействия фотонов позволит, например, разработать более эффективные и безопасные технологии квантовой связи. Это также может улучшить методы обнаружения патогенов и позволит контролировать химические реакции на молекулярном уровне.

«Такая динамика оказывает большое влияние на будущее развитие квантовой обработки информации, квантового транспорта, фотохимии и биологических процессов, таких как восстановление и эффективное использование света», — пишут исследователи в своей работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

«Понимая это, мы закладываем основы, которые позволят нам разрабатывать взаимодействия света и материи для будущих приложений, таких как улучшенные датчики, усовершенствованные фотоэлектрические элементы или квантовые вычисления», — заключает Юэнь.