Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto tyrėjai sukūrė teorinį modelį, kuris leidžia iš anksto „užprogramuoti“ atomus pasitelkiant vien šviesą. Tai suteikia galimybę pertvarkyti lazerio pluoštus, „nešančius“ šviesos sūkurį ir poliarizaciją. Magistranto Dharmos Prasetyos Permanos ir Teorinės fizikos ir astronomijos instituto kolegų – dr. Maženos Mackoit-Sinkevičienės, dr. Juliaus Rusecko ir dr. Hamido Rezos Hamedi – atliktas tyrimas yra žingsnis link struktūrizuotos šviesos valdymo nenaudojant magnetų, pritaikomo kvantinėse technologijose. Tyrimas publikuotas prestižiniame žurnale „Physical Review A“.
Dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė, Dharma Prasetya Permana ir dr. Hamid Reza Hamedi. Asmeninio archyvo nuotr.
Susukta šviesa
Fizikai tyrinėjo optinius sūkurius – tai ypatingi šviesos pluoštai, kurių struktūra susisuka besklisdama. „Skirtingai nuo verpetų vandenyje, kur sukasi pati medžiaga, optiniai sūkuriai yra susisukimai pačioje šviesos bangos struktūroje. Pluoštui sklindant, jo bangos frontai įgauna spiralinę, sraigtinę struktūrą“, – aiškina D. P. Permana.
Tokio pluošto centre šviesos intensyvumas nukrenta iki nulio, palikdamas mažą tamsią šerdį. Šerdies skersmuo priklauso nuo dydžio, vadinamo topologiniu krūviu, kuris parodo, kiek kartų bangos priekinė dalis visiškai apsisuka aplink pluošto ašį.
Dharma Prasetya Permana. Nail Garejev nuotr.
„Jei topologinis krūvis lygus nuliui, vadinasi, nėra jokio susisukimo. Krūviui padidėjus iki vieneto, centre atsiranda maža tamsi šerdis, o jam augant struktūra tampa vis ryškesnė. Tai kiek primena varžto sriegį – kuo didesnis krūvis, tuo tankesnis susisukimas“, – pasakoja D. P. Permana.
Teoriškai šis skaičius neturi viršutinės ribos, jis gali įgyti bet kokią sveikąją reikšmę, teigiamą arba neigiamą. Ši savybė paverčia optinius sūkurius itin parankiais informacijai koduoti esant daugeliui skirtingų būsenų. Tokių skirtingų būsenų įmanoma sukurti iki dešimties tūkstančių.
Mokslininkai jau yra pradėję taikyti šiuos šviesos sūkurius pažangiems kvantinio ryšio kanalams kurti. „Standartiniai kvantiniai bitai – kubitai – saugo tik dvi būsenas. Tuo tarpu šviesos sūkuriai leidžia koduoti informaciją esant aukštesnės dimensijos kvantinėms būsenoms, vadinamoms kuditais, taip smarkiai padidindami duomenų kiekį, kurį gali nešti vienas fotonas“, – priduria dr. H. R. Hamedi.
Šviesos sukiniai ir sūkuriai
Šviesa sklinda bangomis, o ją galima valdyti dviem būdais: poliarizacija ir sūkuriais. Paprastai iš lemputės ar Saulės sklindanti šviesa yra netvarkinga – jos bangos sklinda chaotiškai ir virpa įvairiomis kryptimis.
„Poliarizacija nusako, kaip banga virpa. Įsivaizduokite, kad prie sienos pririšate virvę ir ją purtote. Jei ranką judinate aukštyn žemyn – banga virpa vertikaliai. Jei judinate kairėn ar dešinėn – horizontaliai. Tokios virpėjimo kryptys fizikoje vadinamos bangos poliarizacija. Pavyzdžiui, poliarizuoti akiniai nuo saulės veikia kaip tvora, sukalta iš vertikalių lentelių: jie praleidžia vertikaliai vibruojančią šviesą ir blokuoja horizontalų atspindį nuo kelių ar vandens.
O sūkurys apibūdina bendrą pluošto formą. Užuot sklidusi kaip plokščia bangų siena, šviesa tarsi susisuka į spiralinius laiptus“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė. VU nuotr.
Derindami šias dvi sąvokas, mokslininkai gauna vektorinį optinį sūkurį: pluoštą su struktūrizuotu raštu ir tam tikra vibracija. „Įsivaizduokite spiralinius laiptus, kuriuose pakopų kryptis kinta jais bekopiant. Apačioje pakopos atsuktos į šiaurę – tai rodo vertikalią poliarizaciją. Kopiant spirale aukštyn, jos palaipsniui pasisuka į rytus – poliarizacija kinta į horizontalią. Vektoriniame sūkuryje šviesos pluoštas sukasi kaip verpetas, o šviesos bangų vibracijos kryptis kinta priklausomai nuo to, kurioje to verpeto vietoje esate“, – aiškina dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
„Programuojami“ atomai
Norėdami valdyti vektorinius sūkurius ir pritaikyti juos pažangiam informacijos apdorojimui, VU fizikai tyrė, kaip šie pluoštai sąveikauja su atomų dujomis. Pasirinkta trijų energijos lygmenų atomų terpė – standartinis kvantinės optikos modelis.
„Sukūrėme teorinį modelį, parodantį, kaip atomus galima iš anksto „užprogramuoti“ norint keisti vektorinių optinių sūkurių formą. Tokiai šviesai sklindant per paruoštą atomų terpę, atomai reaguoja labai struktūrizuotai. Jie tarsi perima erdvinį šviesos raštą, suformuodami tokias sritis, kuriose stipriai sugeriama šviesa, ir kitokias, kuriose patys tampa beveik permatomi“, – sako dr. H. R. Hamedi.
Taip atsiranda tam tikras grįžtamojo ryšio mechanizmas tarp šviesos ir medžiagos: šviesa formuoja atomų atsaką, o atomų atsakas pertvarko šviesą. Taigi pluoštas transformuojasi sklisdamas. Vietoje įprastai matomo apskritimo su tamsiu centru pamatome žiedlapio formos raštą, kuriame šviesa susitelkia keliose ryškiose srityse aplink centrą. Kartu kinta ir pluošto poliarizacijos struktūra.
„Tai rodo, kad ir erdvinę formą, ir šviesos sukinį aktyviai valdo terpė. Iš anksto paruošdami atomų terpę galime valdyti ne tik tai, kaip sudėtingos šviesos struktūros vystosi erdvėje, bet ir jų poliarizacijos kitimą sklindant per medžiagą“, – sako dr. J. Ruseckas.
Taikymai kvantinėse technologijose
Šis tyrimas pristato „programuojamus“ atomus kaip galingą šviesos valdymo įrankį, turintį reikšmę kvantiniams skaičiavimams ir didelio tankio duomenų perdavimui.
„Iki šiol, norint taip manipuliuoti struktūrizuota šviesa, reikėjo stiprių išorinių magnetinių laukų. Tokiems laukams sukurti reikalinga sudėtinga, didelė ir dažnai brangi įranga, o tai apsunkina šių sistemų integravimą į kompaktiškas technologijas“, – sako D. P. Permana.
„Mūsų metodas yra visiškai optinis. Atomams „programuoti“ naudojama šviesa, o magnetiniai laukai tampa nebereikalingi. Tai daug lankstesnis, geriau išplečiamas ir elegantiškesnis būdas valdyti šviesos ir medžiagos sąveikas. Galų gale, tai atveria kelią greitesniems kvantiniams procesoriams, ypač saugiems kvantinio ryšio tinklams ir nepaprastai tiksliems optiniams jutikliams“, – apibendrina dr. H. R. Hamedi.