Свет — это главный инструмент для современных оптических и квантовых коммуникаций. Но, его использование связано с одним большим неудобством, свет практически всегда распространяется со скоростью света и его практически невозможно удержать на какое-то время на одном месте. Однако, группа ученых из Венского технологического университета (Vienna University of Technology, TUV) продемонстрировала, что проблема со скоростью распространения света может быть решена не только в необычных квантовых системах, замедления скорости света можно достичь и в обычных оптоволоконных системах, используемых в настоящее время. А ключом к этому является волокно, в стекло которого внедрены примеси атомов некоторых химических элементов. И скорость распространения света в таком волокне снижается до значения в 180 километров в час.

Более того, используя некоторые физические приемы, ученым удалось настолько замедлить свет, что он практически остановился. И эту технологию можно считать основой будущего квантового Интернета, в котором квантовая информация может передаваться на огромные расстояния за счет явления призрачной квантовой запутанности.

Скорость света в вакууме является одной из основополагающих физических констант и она составляет 300 миллионов метров в секунду. Но когда свет проходит сквозь какую-нибудь прозрачную среду, через стекло или воду, к примеру, его скорость немного снижается из-за взаимодействия света с материалом среды. «Нам удалось сделать эффект замедления скорости света максимально сильным при помощи создания чрезвычайно сильного взаимодействия света с материей» — рассказывает профессор Арно Рошенбеутель (Professor Arno Rauschenbeutel), — «Скорость света в нашем волокне составляет всего 180 километров в час, его без труда обгонит любой самолет или скоростной пассажирский экспресс».

Новое оптоволокно, тормозящее свет, состоит из сверхтонкого стеклянного волокна, в которое добавлены атомы цезия. Когда атом цезия поглощает фотон света, он переходит из низкого энергетического состояния в более высокое при условии, что энергия фотона соответствует разнице энергий двух состояний атома. Через какое-то время атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон света, который может двигаться в абсолютно произвольном направлении. В обычных условиях сам процесс переизлучения фотонов и направления их движения являются абсолютно неконтролируемыми.

Поэтому венские ученые использовали свет еще одного лазера, который переводит возбужденный атом цезия в особое третье квантовое состояние. «Взаимодействие между тремя квантовыми состояниями атома позволят избежать беспорядочности процессов поглощения и излучения фотонов. Вместо этого, квантовая информация, переносимая фотоном света, передается группе атомов способом, который мы можем полностью контролировать. И атомы могут хранить эту квантовую информацию в течение достаточно длительного времени. Другими словами, один фотон света превращается в возбужденное состояние группы атомов».

Через две микросекунды времени, за которое свет в обычных условиях преодолел бы половину километра, импульс света контрольного лазера побуждает возбужденные атомы цезия переизлучить фотоны света назад в оптоволокно. И самое главное заключается в том, что свойства переизлученных фотонов не отличаются от свойств фотонов, поглощенных атомами ранее. Чередуя цепочку последовательности поглощения-излучения фотонов атомами, можно добиться того, что реальная скорость распространения света по оптическому волокну замедлится во много раз.

Возможность задерживать и хранить фотоны света, не нарушая их квантового состояния, является главным шагом для реализации квантовой передачи данных на большие расстояния. «Законы квантовой физики позволяют нам организовать прямую связь между отправителем и получателем, что делает невозможным процесс подслушивания» — рассказывает профессор Рошенбеутель, — «И эти же законы квантовой физики определяют то, что никто не может вмешаться в квантовую связь без ее нарушения и без того, чтобы быть в этом уличенным».