Funkcja falowa to absolutny fundament mechaniki kwantowej, rdzeń jej najważniejszego równania (równania Schroedingera). W rękach sprawnego fizyka funkcja ta pełni podobną rolę, jak glina w rękach rzeźbiarza: umiejętnie ukształtowana, pozwala „ulepić” model układu cząstek kwantowych. Poznanie jej jest o tyle praktyczna, że pomaga fizykom ustalić prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym stanie.

"O funkcji falowej nie wiemy nawet, czy to obiekt rzeczywisty czy tylko matematyczny. A my w zgrabny i nieskomplikowany sposób pokazaliśmy, że funkcję falową - a dokładniej jej amplitudę i fazę - da się zobaczyć w stosunkowo prostym doświadczeniu" - opowiada w rozmowie z PAP współautor badań, doktorant Michał Jachura z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Nowa technika pomiarowa umożliwiła przy okazji rejestrację pierwszego hologramu pojedynczej cząstki światła. Praca polskich badaczy - wszyscy autorzy związani byli z Uniwersytetem Warszawskim - ukazała się w prestiżowym czasopiśmie "Nature Photonics" . 

"Nie jesteśmy pierwszą grupą na świecie, która pokazała, że fazę funkcji falowej fotonu można bezpośrednio zmierzyć. Wcześniejsza metoda - sprzed 5 lat - nie była jednak aż tak elegancka i namacalna. Pokazywała jedynie, że jeśli bardzo się postaramy, dobierzemy się do fazy fotonu. Nasza praca pokazuje zaś, że żeby faza fotonu się ujawniła, wystarczy wykonać prosty eksperyment, do którego układ doświadczalny zmieści się w każdym laboratorium - na ćwiartce stołu optycznego" - mówi Jachura.

„W stosunkowo prostym eksperymencie zmierzyliśmy i zobaczyliśmy coś, co dostrzec jest bardzo trudno: kształt frontów falowych pojedynczego fotonu” - dodaje współautor artykułu dr Radosław Chrapkiewicz.

NA RAZIE TO RACZEJ ZABAWA, ALE ZASTOSOWANIA - W DRODZE

Jachura nie wyklucza, że badania z tego obszaru mogą się przydać w kryptografii kwantowej. "Tam, aby kodować informacje, schodzi się do poziomu pojedynczych fotonów. A jeśli chcemy kodować informację w fotonie, warto wiedzieć o nim jak najwięcej - m.in. to, gdzie jest on zlokalizowany, a dokładniej, jaką ma przestrzenną amplitudę i fazę. Im więcej będziemy mieli do dyspozycji efektywnych metod na charakteryzację pojedynczych fotonów, tym będziemy mieć większą szansę, by znaleźć dla nich komercyjne zastosowania" - uważa doktorant.

Wyjaśnia, że informacje możemy kodować w świetle na trzy sposoby, gdyż ma ono trzy stopnie swobody. Pierwszy - to jest polaryzacja (wykorzystywana np. w okularach przeciwsłonecznych czy do stwarzania efektu głębi w filmach 3D). Jednak w niej informacji możemy zakodować bardzo mało. Drugi stopień swobody to jest kolor, związany z częstotliwością fali świetlnej. "Dzięki wykorzystaniu tego stopnia swobody działa telekomunikacja i internet. W różnych kolorach światła możemy wysyłać światłowodem zupełnie niezależnie informacje, co daje nam ogromną wydajność transferu danych" - podaje przykład Jachura. Trzeci stopień swobody zaś to stopień przestrzenny - to jak światło propaguje się w przestrzeni. A tego właśnie obszaru wiedzy o fotonie dotyczy odkrycie z UW. "Komunikacja przy użyciu przestrzennego stopnia swobody fotonu dopiero się rozwija. To temat szeroko eksplorowany - np. w przesyłaniu informacji na kosmiczne odległości" - podaje przykład Jachura.

Rozmówca PAP przyznaje, że na razie traktuje te badania jako zabawę. "Ale jeśli ktoś znajdzie dla tego zastosowanie i zrobi z tego wielkie rzeczy - będę się z tego tylko cieszył" - uśmiecha się badacz.

PAŁAC KULTURY I NAUKI NA FAZIE?

W doświadczeniu przeprowadzonym na UW produkowane były pary identycznych fotonów. Jeden z nich był polaryzowany w jednym kierunku i przechodził przez układ właściwie bez zmian, a drugi foton był polaryzowany prostopadle i przechodził przez soczewkę, przez co modyfikowana była jego faza. Polacy pokazali, że jeśli odpowiednio zaprojektuje się doświadczenie, można między tymi fotonami doprowadzić do znanego od kilku dekad zjawiska interferencji dwufotonowej. Potem wystarczy sfotografować fotony, które przejdą przez układ i umiejętnie przetworzyć wyniki, a oczom ukaże się niezwykły obraz, z którego można wyczytać, jaką fazę dodano w eksperymencie. "Chcieliśmy nawet nałożyć na charakteryzowany foton fazę w kształcie Pałacu Kultury i Nauki, ale trudno by nam było skonstruować soczewkę o takich właściwościach. Do celów demonstracyjnych zastosowaliśmy więc po prostu soczewkę paraboliczną" - zdradza Jachura.

Tak wyglądałby hologram fotonu, na który nałożonoby fazę o kształcie Pałacu Kultury i Nauki. Źródło: FUW

PIERWSZY HOLOGRAM FOTONU

Metoda, jaką zastosowali badacze, jest tak podobna do metod stosowanych w holografii, że można powiedzieć, iż Polacy zarejestrowali pierwszy hologram pojedynczej cząstki światła. A to wydawało się dotąd niemożliwe.

Wykonanie hologramu polega na tym, że na dobrze znaną, niezaburzoną falę świetlną (odniesienia) nakłada się drugą falę o tej samej długości, lecz odbitą od obiektu trójwymiarowego (a zatem z grzbietami i dolinami fali świetlnej poprzesuwanymi w różnym stopniu w różnych punktach obrazu). Dochodzi do interferencji, która wskutek różnic w fazach obu fal tworzy skomplikowany układ prążków. Tak zarejestrowany hologram wystarczy oświetlić wiązką odniesienia, żeby odtworzyć przestrzenną strukturę frontów falowych światła odbitego od obiektu, a tym samym jego trójwymiarowy kształt.

Wydawałoby się, że podobny mechanizm powinien działać także wtedy, gdy liczbę fotonów tworzących obie fale zredukuje się do minimum, a więc do jednego fotonu odniesienia i jednego odbitego od obiektu. Tak się jednak nie dzieje. Faza fali pojedynczego fotonu wciąż fluktuuje, co uniemożliwia klasyczną interferencję z innym fotonem. Fizycy z FUW stali więc przed zadaniem pozornie niemożliwym. Spróbowali jednak rozwiązać problem w inny sposób i zamiast klasycznej interferencji pól elektromagnetycznych podjęli próbę zarejestrowania innej interferencji, kwantowej, w której interferowałyby funkcje falowe fotonów.

"Z naszych analiz wyłonił się dość niespodziewany wniosek: okazało się, że gdy dwa fotony interferują kwantowo, przebieg tej interferencji zależy od kształtów ich frontów falowych” - mówi dr Radosław Chrapkiewicz.

Eksperyment opisany na łamach "Nature Photonics” przeprowadzili dr Radosław Chrapkiewicz i mgr Michał Jachura pod kierownictwem dr. hab. Wojciecha Wasilewskiego i prof. Konrada Banaszka. Zarejestrowanie hologramu fotonu oznacza początek nowego rodzaju holografii: holografii kwantowej, która jest nowym spojrzeniem na świat zjawisk kwantowych.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/