{h1}
vetenskap + teknik

Håll det där: hur (och varför) för att stoppa ljuset i spåren

Anonim

Vi lärs i skolan att ljusets hastighet är en universell konstant. Men vi vet också att ljuset reser långsammare genom material som vatten och glas. Nyligen har vi ens upptäckt att ljus faktiskt kan göras för att stå helt stillastående.

Faktum är att det först gjordes för länge sedan

.

i en galax långt, långt borta. I en scen från den senaste Star Wars-filmen stannar Kylo Ren en blasterpuls med The Force. Pulsen är frusen, skimrande i mitten av luften. Mer sistnämnd, för vårt papper som publicerades i naturfysik denna vecka stoppade vi en puls av laserljus med en ganska annorlunda metod genom att fånga den i ett moln av kalla rubidiumatomer.

Rubidium och andra liknande atomer har tidigare använts för att sakta ner och lagra ljus och till och med för att fälla det. Dessa system arbetar alla genom att absorbera och återutstråla laserljus från atomer på ett kontrollerat sätt.

Men vi hittade ett nytt sätt att fälla ljus, genom att använda ljuset för att skriva en viss "form" i atomerna. När ljuset re-emitterades blev det fångat i atomerna. Det visade sig att när vi hade valt rätt riktningar och frekvenser för våra lasrar var försöket ganska enkelt. Den svåra delen var att hitta rätt frekvenser och riktningar!

Omfamna entanglement

Varför gör det här? Vi är intresserade av att fånga ljus eftersom vårt slutliga mål är att göra enskilda ljuspartiklar eller fotoner, interagera med varandra. Genom att interagera direkt kommer fotonen att bli intrasslad. Genom att skala upp det här upp till många interaktioner med många fotoner kan vi teoretiskt skapa de invecklade tillstånden för information som är nödvändiga för kraftfull kvantkalkylering.

Tyvärr samverkar fotoner otroligt svagt med varandra, men de kan interagera starkare om de kan begränsas i ett visst material som är tillräckligt lång för att förbättra interaktionen till en mer användbar nivå. Faktum är att dessa slags interaktioner nyligen har demonstrerats av flera forskargrupper runt om i världen, ofta genom att använda atomvyer för att begränsa ljuset. Men som jag kommer att förklara nedan kan vårt nya stationära ljussystem ha fördelar när det gäller att få foton att interagera.

Lampknapp

Quantum computing är ett spännande och snabbt utvecklande forskningsområde, och vårt team är en del av Australian Research Councils centrum för kvantkompatibilitet och kommunikationsteknik. Det finns många olika potentiella plattformar för kvantkalkylering. Centrumets UNSW-team har till exempel visat kvantkalkyloperationer med fosforatomer inbäddade i kiselchips.

Men vår grupp studerar huvudsakligen ljus, inte minst för att det är mycket troligt att ljuset kommer att spela en viss roll i kvantdatorer. Det ger ett bekvämt sätt att skicka kvantinformation inom eller mellan datorer eftersom det, till skillnad från atomer eller elektriska strömmar, inte är sårbart för stränga magnetiska eller elektriska fält. Det kan till och med vara möjligt att utföra kvantkalkylering med hjälp av ljus, och det här är tanken som motiverar vår forskning kring stationärt ljus.

Vårt team har kunnat lagra och hämta pulser av ljus i samma system. Vi har också kunnat visa att kvantinformation som kodas i dessa ljuspulser är bevarad, vilket innebär att den kan utgöra grunden för beräkningsminne.

Detta är emellertid inte tillräckligt för att generera den typ av interaktion vi vill ha, eftersom ljuset helt absorberas i atomerna och det kan inte längre interagera. Istället måste vi fälla ljus i minnet, inte bara lagra det.

Medan man undersökte hur man fällde ljuset i atomminnet upptäckte jag med en datorsimulering att en viss typ av form som skrevs i atomminnet skulle ge stationärt ljus. Genom att hämta ljuset i två riktningar samtidigt kunde ljuset faktiskt fångas i minnet. Allt ljus som återges i minnet skulle förstöra destruktivt i minnets ändar och inte fly.

Simuleringarna förutspådde också ett annat intressant beteende: om fel form skrevs, skulle något ljus komma undan, men minnet skulle snabbt utvecklas till en form där ljuset är fastat. Detta kan vara användbart för stationärt ljus genom att göra det robustare, men det kan också vara användbart för annan optisk bearbetning.

Vi kunde demonstrera allt detta beteende experimentellt med hjälp av vårt atomminne. Till skillnad från Kylo Rens frusna blasterpuls var det inte möjligt att se stationärt ljus direkt (för att se något, foton måste resa från objektet till ögonen, och dessa fotoner gick inte någonstans). Istället bekräftade det faktum att systemets beteende matchade våra förutsägelser så exakt att ljuset verkligen var stationärt.

Ljus har tidigare fångats i ett liknande system. Det som gör vårt system nytt och intressant är att vi anser att det är den mest övertygande demonstrationen hittills, men också att beteendet hos vårt stationära ljus är radikalt annorlunda. Vi tror att detta nya beteende, där ljuset reser mer fritt genom minnet, kan möjliggöra starkare olinjära interaktioner.

Detta experiment är bara ett enda steg på den långa vägen till optisk kvantkalkylering. Nästa steg kommer att vara att bevisa att foton kan verkligen interagera med varandra inom vårt system. Vi hoppas att det här kommer att ge upphov till en enhet som kan använda några av våra upptäckter, bland många andra, för att skapa de intrikata tillstånden för många intrasslade fotoner som är nödvändiga för en optisk kvantdator.

Rekommenderas

Varför Volvo går "all-electric" är inte lika revolutionerande som det verkar

Varför fred i Ukraina inte kommer att rädda den ryska ekonomin

Hur Florida hjälper till att träna nästa generations cybersecurity-proffs