Физики обнаружили скрытый «кручёный» эффект в квантовом свете

Игроки в настольный теннис умеют заставить мяч резко изменить траекторию, придав ему нужное вращение. Это движение объясняется эффектом Магнуса — хорошо известным физическим явлением, которое также влияет на полёт крупных мячей в таких видах спорта, как футбол.

Теперь международная команда исследователей, работающая в Институте Пауля Шеррера (PSI), наблюдала родственный эффект на атомном уровне. Впервые учёные экспериментально продемонстрировали оптический эффект Магнуса, сфокусировав лазерный свет на одиночном ионе и измерив, как свет взаимодействует с ним.

Вместо того чтобы заставить атом двигаться по искривлённой траектории, эффект смещает точку, где лазер взаимодействует с ионом наиболее сильно. Эта точка взаимодействия слегка смещается в сторону — открытие, которое может иметь значение для квантовых компьютеров, использующих лазерный свет для управления кубитами с чрезвычайной точностью. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Сильнейшее взаимодействие лазера слегка смещено от центра

На первый взгляд кажется логичным ожидать, что ион будет взаимодействовать с лазером наиболее сильно точно в самой яркой точке луча. Но когда лазерный свет фокусируется очень плотно, структура его электромагнитного поля становится сложнее.

Из-за изменённой структуры поля сильнейшее взаимодействие происходит не точно в центре луча. Вместо этого оно возникает слегка в стороне. Это небольшое боковое смещение — оптический аналог эффекта Магнуса, заставляющего вращающийся мяч для настольного тенниса искривлять свой путь в воздухе.

Это крошечное смещение может стать важным в квантовых вычислениях. Лазеры часто используются для изменения состояний кубитов с очень высокой точностью. Если оптический эффект Магнуса игнорировать, он может помешать этому управлению и способствовать возникновению ошибок.

Тот же эффект может быть и полезен. «Силы, которые он создаёт, можно использовать для связи кубитов друг с другом, что открывает путь к более сложным вычислениям», — объясняет первый автор работы Филип Лайндеккер из Центра фотонной науки PSI и физического факультета ETH Zurich.

Использование одиночного иона для картирования лазерного света

Чтобы обнаружить эффект, исследователи использовали одиночный ион кальция в качестве чрезвычайно чувствительного зонда. Электрически заряженный атом удерживался почти неподвижно в ионной ловушке, которая использует электромагнитные поля для фиксации иона на месте.

Захваченные ионы также широко используются в квантовых вычислениях. Они могут работать как кубиты, а их квантовыми состояниями управляют с помощью тщательно контролируемых лазерных импульсов.

В эксперименте команда перемещала ион кальция через разные участки плотно сфокусированного лазерного луча и измеряла, насколько сильно он взаимодействует со светом в каждом положении.

«Наш ион действует как крошечный датчик, с помощью которого мы можем прощупывать структуру лазерного света, — объясняет Лайндеккер. — Это позволяет измерять смещение всего в несколько сотен нанометров».

Измерения выявили ещё одну удивительную особенность. Величина бокового смещения зависит только от длины волны света, а не от того, насколько плотно сфокусирован лазерный луч.

Исследователи из Амстердамского университета теоретически предсказали оптический эффект Магнуса несколько лет назад. Использовав захваченный ион кальция в качестве микроскопического зонда, команда теперь впервые наблюдала эффект экспериментально и измерила его поведение более детально.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом Пауля Шеррера. Оригинальный текст написан Бенджамином А. Сенном.

Philip Leindecker, Louis P. H. Gallagher, Edgar Brucke, Dominique Zehnder, Luka Milanovic, Matteo Marinelli, Rene Gerritsma, Robert J. C. Spreeuw, Jonathan Home, Cornelius Hempel. Direct Observation of the Optical Magnus Effect with a Trapped Ion. Physical Review Letters, 2026; 137 (6) DOI: 10.1103/kj5p-qqs5