Эффект Хонга-У-Манделя — один из самых узнаваемых тестов квантовой природы света. В классическом эксперименте два неразличимых фотона, попадая на светоделитель, «группируются» и выходят строго через один из выходов. Степень этого группирования отражается в характерном антикорреляционном провале на корреляционной функции интенсивности — так называемом «провале ХОМ». Его глубина показывает, насколько идентичны фотоны.
Команда Сколтеха воспроизвела этот эффект с поляритонами — квазичастицами, возникающими при сильном взаимодействии света с экситонами в полупроводнике. Поляритоны способны конденсироваться в единое когерентное состояние по аналогии с конденсатом Бозе-Эйнштейна и вести себя как макроскопическое квантовое поле. Исследователи создали микроскопическую оптическую ловушку, в которой формировался такой конденсат, разделили его свечение на два луча и направили единичные фотоны в интерферометр Хонга-У-Манделя.
Интерференционные картины показали, как глубина провала ХОМ меняется в зависимости от поляризации возбуждающего лазера и статистических свойств самого конденсата. При круговой поляризации система вела себя как стабильный лазерный источник: провал ХОМ следовал форме функции когерентности и постепенно исчезал при увеличении оптической задержки. При линейной поляризации возникал противоположный эффект — «склеивание» фотонов, когда частицы испускались сериями, создавая участки повышенной плотности потока. В результате антикорреляционный провал становился примерно вдвое глубже, что указывает на усиление двухчастичной интерференции.
«Наблюдение за возрождением двухфотонной интерференции на частоте прецессии оказалось одновременно удивительным и вдохновляющим, — отметил старший научный сотрудник Сколтеха Степан Барышев. — Мы показали, что можно управлять двухчастичными квантовыми эффектами, просто меняя поляризацию возбуждающего света».
Поляритонные конденсаты отличаются от ультрахолодных атомных систем тем, что могут формироваться при значительно более высоких температурах и в стандартных полупроводниковых структурах. В новых органических материалах аналогичные эффекты наблюдаются даже при комнатной температуре. Это делает платформу удобной для интеграции и масштабирования, открывая путь к компактным фотонным устройствам, которые могут выполнять вычисления и моделирование на основе интерференции света, а не электронного тока.
Теоретическая модель, разработанная авторами для описания эксперимента, позволяет проследить переход между классическим и квантовым режимами излучения, понять механизмы потери когерентности и исследовать коллективные эффекты в управляемых оптических средах.
«Поляритоны объединяют лучшие свойства света и материи, — пояснил руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Павлос Лагудакис. — Они столь же быстры и легко управляемы, как фотоны, но при этом взаимодействуют, как частицы вещества. Эта смесь делает их идеальными кандидатами для будущего поколения гибридных квантовых технологий».
