Это беспрецедентное достижение представляет собой важную веху в развитии квантовых технологий. Она опубликована сегодня в Физика природы.

Стимулированное излучение света, постулированное Эйнштейном в 1916 году, широко наблюдается для большого количества фотонов и заложило основу для изобретения лазера. Благодаря этому исследованию стимулированное излучение теперь наблюдалось для одиночных фотонов.

В частности, ученые смогли измерить прямую временную задержку между одним фотоном и парой связанных фотонов, рассеивающихся от одной квантовой точки, типа искусственно созданного атома.

"Это открывает дверь для манипулирования тем, что мы можем назвать "квантовым светом"", - сказал доктор Саханд Махмудян из Школы физики Сиднейского университета и соавтор исследования.

Доктор Махмудян сказал: "Эта фундаментальная наука открывает путь для достижений в области квантовых методов измерения и фотонных квантовых вычислений".

Наблюдая за тем, как свет взаимодействует с материей более века назад, ученые обнаружили, что свет не является ни пучком частиц, ни волновой структурой энергии, но проявляет обе характеристики, известные как корпускулярно-волновой дуализм.

То, как свет взаимодействует с материей, продолжает восхищать ученых и человеческое воображение, как своей теоретической красотой, так и мощным практическим применением.

Будь то то, как свет проникает через обширные пространства межзвездной среды, или разработка лазера, исследование света является жизненно важной наукой, имеющей важное практическое применение. Без этих теоретических основ практически все современные технологии были бы невозможны. Ни мобильных телефонов, ни глобальной сети связи, ни компьютеров, ни GPS, ни современной медицинской визуализации.

Одно из преимуществ использования света в коммуникации - по оптическим волокнам - заключается в том, что пакеты световой энергии, фотоны, нелегко взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивает передачу информации практически без искажений со скоростью света.

Однако иногда нам хочется, чтобы свет взаимодействовал. И здесь все становится сложнее.

Например, свет используется для измерения небольших изменений расстояния с помощью приборов, называемых интерферометрами. Эти измерительные инструменты в настоящее время являются обычным явлением, будь то в передовой медицинской визуализации, для важных, но, возможно, более прозаичных задач, таких как контроль качества молока, или в виде сложных приборов, таких как LIGO, который впервые измерил гравитационные волны в 2015 году.

Законы квантовой механики устанавливают пределы чувствительности таких устройств.

Этот предел устанавливается между тем, насколько чувствительным может быть измерение, и средним числом фотонов в измерительном устройстве. Для классического лазерного излучения это отличается от квантового света.

Совместный ведущий автор, доктор Наташа Томм из Базельского университета, сказала: "Созданное нами устройство индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между одним фотоном, взаимодействующим с ним, по сравнению с двумя.

"Мы наблюдали, что один фотон задерживался на большее время по сравнению с двумя фотонами. При этом действительно сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона запутываются в форме так называемого двухфотонного связанного состояния".

Квантовый свет, подобный этому, имеет преимущество в том, что он, в принципе, может проводить более чувствительные измерения с лучшим разрешением, используя меньшее количество фотонов. Это может быть важно для применения в биологической микроскопии, когда большая интенсивность света может повредить образцы и где наблюдаемые особенности особенно малы.

"Продемонстрировав, что мы можем идентифицировать связанные с фотонами состояния и манипулировать ими, мы сделали жизненно важный первый шаг к использованию квантового света для практического использования", - сказал доктор Махмудян.

"Следующие шаги в моем исследовании заключаются в том, чтобы увидеть, как этот подход может быть использован для генерации состояний света, полезных для отказоустойчивых квантовых вычислений, которыми занимаются многомиллионные компании, такие как PsiQuantum и Xanadu".

Доктор Томм сказал: "Этот эксперимент прекрасен не только потому, что он подтверждает фундаментальный эффект - стимулированное излучение - на его предельном уровне, но он также представляет собой огромный технологический шаг на пути к передовым приложениям.

"Мы можем применить те же принципы для разработки более эффективных устройств, которые дают нам связанные состояния фотонов. Это очень перспективно для применения в широком спектре областей: от биологии до передового производства и квантовой обработки информации".

Исследование проводилось в сотрудничестве между Базельским университетом, Ганноверским университетом имени Лейбница, Университетом Сиднея и Рурским университетом в Бохуме.

Ведущими авторами являются доктор Наташа Томм из Базельского университета и доктор Саханд Махмудян из Сиднейского университета, где он является будущим научным сотрудником Австралийского исследовательского совета и старшим преподавателем.

Искусственные атомы (квантовые точки) были изготовлены в Бохуме и использованы в эксперименте, проведенном в группе нанофотоники Базельского университета. Теоретическая работа над открытием была проведена доктором Махмудяном из Сиднейского университета и Ганноверского университета имени Лейбница.