Экспериментальное разделение флуктуаций вакуума и излучения от источника

Таинственная энергия в пустом пространстве

Пустое пространство на самом деле не пусто. Согласно квантовой физике, оно кипит крошечными, постоянно меняющимися электрическими и магнитными полями, известными как флуктуации вакуума. Эти скрытые дрожания помогают объяснить тонкие эффекты в атомах и свете, но до сих пор они были неразрывно переплетены с обычным излучением, исходящим от реальных частиц и источников света. В этой работе сообщается о первом эксперименте, который чисто разделяет эти два ингредиента квантового мира, превращая давнюю мысленный эксперимент в настольную реальность.

Превращение мысленного эксперимента в реальное испытание

Почти столетие назад физик Энрико Ферми представил две атомные системы, внезапно допущенные к взаимодействию с электромагнитным полем пустого пространства. С течением времени атомы становились скоррелированными двумя способами: за счёт постоянно присутствующих флуктуаций вакуума и путём обмена реальным фотоном света между ними, называемым излучением от источника. Теория утверждала, что оба процесса имеют значение, но их разделение считалось невозможным. Новая работа заменяет атомы Ферми двумя ультракороткими лазерными импульсами и позволяет им играть ту же роль внутри специального кристалла, реагирующего на электрические поля. Эта полностью оптическая версия даёт возможность включать и выключать взаимодействие с исключительной точностью по времени, когда импульсы входят и выходят из материала.

Использование световых импульсов как квантовых зондов

В эксперименте два ближне‑инфракрасных лазерных импульса проходят рядом друг с другом через кристалл сульфида цинка (цинк‑теллурид), охлаждённый до нескольких градусов выше абсолютного нуля, чтобы устранить обычное тепловое излучение. По мере прохождения каждый импульс кратковременно сопрягается с модами электромагнитного поля на значительно более низких, терагерцевых частотах через нелинейный оптический эффект. Это изменяет поляризацию импульсов — направление колебаний их электрических полей — на крошечную величину. Высокочувствительные детекторы затем считывают эти изменения поляризации для каждого импульса, позволяя исследователям искать корреляции между ними, которые выдают влияние вакуума и излучения от источника.

Выделение двух видов квантового шума

Ключевой трюк заключается в том, что флуктуации вакуума и излучение от источника возмущают разные «квадратуры» светового поля, примерно аналогичные толчку качели в четверть периода или в фазе. Вставляя различные фазовые пластинки перед каждым детектором, команда может выбирать, какую квадратуру каждого импульса наблюдать. Когда обе детектирующие ветви настроены на одну и ту же внефазную квадратуру, они улавливают корреляции, которые возникают мгновенно при временном перекрытии двух импульсов, раскрывая отпечаток флуктуаций вакуума, разделяемых ими обоими. Когда один детектор настроен в фазе, а другой — внефазы, появляется новая, запаздывающая корреляция: сначала один импульс возбуждает излучение источника, которое затем распространяется через кристалл и регистрируется вторым импульсом только после времени, необходимого для прохождения света. Этот асимметричный временной рисунок кодирует причинный, «последовательный» характер излучения от источника.

Проверка фундаментального квантового правила

Изучая эти корреляции не только во времени, но и в зависимости от частоты, авторы показывают, что оба сигнала связаны точно так, как предсказывает квантовая версия теоремы флуктуации‑диссипации — глубокий принцип, связывающий случайный шум с откликом системы. Сигнал, индуцированный вакуумом, и сигнал от излучения источника выстраиваются как действительная и мнимая части комплексной волны, сдвинутые на четверть цикла. Несмотря на небольшие сдвиги, обусловленные практическими деталями, такими как точное расстояние между лучами в кристалле, измерения тесно совпадают с подробными теоретическими расчётами, подтверждая, что эти два вклада имеют физический смысл, а не являются лишь артефактами математического учёта.

Почему это важно для будущих квантовых технологий

Возможность измерять флуктуации вакуума и излучение источника по отдельности — это больше, чем разрешение концептуального спора. Это открывает новое окно в изучение квантовых полей в зависящих от времени и даже кривых «пространства‑времён», создаваемых в лаборатории. Поскольку метод в принципе может выделять корреляции от единственного терагерцового фотона даже на фоне тёплого фона, он может помочь в исследовании экзотических эффектов, таких как динамический эффект Казимира, при котором движущиеся границы порождают свет из вакуума, или «сбор запутанности», когда разнесённые детекторы извлекают квантовые связи из пустого пространства. В повседневных словах, исследование показывает, что мы теперь можем не только чувствовать беспокойную активность вакуума, но и наблюдать, как она шаг за шагом превращается в реальное излучение.

Цитирование: Herter, A., Lindel, F., Gabriel, L. et al. Experimentally separating vacuum fluctuations from source radiation. Nat Commun 17, 2863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69142-4

Ключевые слова: квантовый вакуум, электро-оптическая выборка, терагерцовое излучение, флуктуации вакуума, квантовые корреляции