Fysikere observerer en ny kvanteeffekt, der begrænser antallet af udsendte fotoner

Sandsynligheden for at finde et vist antal fotoner inde i en laserimpuls svarer normalt til en klassisk fordeling af uafhængige begivenheder, den såkaldte Poisson-fordeling. Der er, imidlertid, lyskilder med ikke-klassiske fotontalfordelinger, der kun kan beskrives af kvantemekanikkens love. Et velkendt eksempel er enkeltfotonkilden, der kan finde anvendelse i kvantekryptografi til hemmelig nøgledistribution eller i kvantenetværk til at forbinde kvantehukommelser og processorer. Imidlertid, til mange anvendelser i ikke-lineær kvanteoptik lysimpulser med et bestemt fast antal fotoner, f.eks. to, tre eller fire, er yderst ønskelige. Et team af forskere fra Quantum Dynamics Division af professor Gerhard Rempe ved Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching nær München) er nu lykkedes med at tage de første skridt i denne retning. Ved at bruge et stærkt koblet atom-hulrum system, de var de første til at observere den såkaldte to-foton blokade:systemet udsender højst to fotoner på samme tid, da dets lagerkapacitet er begrænset til dette antal ( PRL , 31. marts 2017).

En naiv tilgang til at generere en strøm af enkelte fotoner ville være at dæmpe intensiteten af ​​en laserstråle tilstrækkeligt. Men i dette tilfælde varierer antallet af fotoner stadig fra puls til puls, og kun ved gennemsnit over mange pulser observeres et gennemsnitligt fotontal på én. Ansøgninger kræver i stedet et fast antal på præcis én foton pr. puls. Udsvingene i fotontallet pr. impuls kan reduceres kraftigt ved at bruge et enkelt atom som en enkeltfotonkilde. Når atomet belyses af en laserstråle, den kan kun absorbere én foton ad gangen, derved laves en overgang fra grundtilstanden til en exciteret tilstand. En anden foton kan kun absorberes, efter at atomet er faldet tilbage til grundtilstanden ved at udsende en foton. Derfor, ikke mere end én foton detekteres i det udsendte lysfelt på samme tid, en effekt, der er kendt som "single-photon blockade".

For at udvide dette princip til en "to-foton blokade" er man nødt til at gå ud over et enkelt atom og lede efter et system, der kan lagre mere end én foton, men ikke mere end to. Til denne ende, MPQ-fysikerne kombinerer det enkelte atom med et hulrum, der giver yderligere lagringskapacitet. Et hulrum kan absorbere et ubegrænset antal fotoner og udviser et tilsvarende stort antal energitilstande, der ligger – svarende til en "stige" – i nøjagtig samme afstand fra hinanden. Indsættelse af et enkelt atom i hulrummet introducerer et ikke-lineært element. Dette får energiniveauerne til at dele sig med forskellig mængde for hvert af 'stigetrinene'. Derfor, laserlys kan kun excitere systemet op til det niveau, det er indstillet til. Antallet af fotoner, der kan lagres, er således begrænset til et vist antal, og derfor, der kan ikke udsendes flere fotoner end det.

I forsøget fysikerne holder et enkelt rubidiumatom i en optisk fælde inde i et hulrum lavet af to højfinessespejle. Frekvensen af ​​den indkommende laserstråle er indstillet til et energiniveau, der kræver absorption af to fotoner for dens excitation. I løbet af de fem sekunders lagringstid udføres omkring 5000 målecyklusser, hvor systemet bestråles af en sondelaser, og emission fra hulrummet registreres via enkeltfotondetektorer. "Interessant nok, fluktuationerne i antallet af udsendte fotoner afhænger stærkt af, om vi exciterer hulrummet eller atomet, " påpeger projektlederen Dr. Tatjana Wilk. "Den effekt, at absorptionen af ​​to fotoner undertrykker yderligere absorption, hvilket fører til emission af to eller færre fotoner, opnås kun i tilfælde af atomisk excitation. Denne kvanteeffekt vises ikke, når vi exciterer hulrummet. I dette tilfælde, vi observerer et forbedret signal på tre og flere fotoner pr. lyspuls."

Christoph Hamsen, ph.d.-kandidat ved forsøget, forklarer de underliggende processer:"Når atomet er exciteret, har vi at gøre med samspillet mellem to modstridende mekanismer. På den ene side, atomet kan kun absorbere én foton ad gangen. På den anden side, det stærkt koblede atom-hulrum system er resonant med en to-foton overgang. Dette samspil fører til en sekvens af lys plusser med en ikke-klassisk fotonfordeling." Og Nicolas Tolazzi, en anden ph.d.-kandidat, tilføjer:"Vi var i stand til at observere denne adfærd i korrelationer mellem detekterede fotoner, hvor sammenfaldet af tre fotoner var signifikant undertrykt sammenlignet med forventningen til det klassiske tilfælde."

Prof. Gerhard Rempe giver et syn på mulige udvidelser af eksperimentet:"På nuværende tidspunkt, vores system udsender lysimpulser med maksimalt to fotoner, men også pulser med færre, en eller endda nul, fotoner. Det fungerer som en slags 'low pass'. Der er, imidlertid, en række ansøgninger om kvantekommunikation og kvanteinformationsbehandling, hvor præcis to, tre eller fire fotoner er påkrævet. Vores ultimative mål er generering af rene tilstande, hvor hver lysimpuls indeholder nøjagtig det samme ønskede antal fotoner. Den to-foton blokade demonstreret i vores eksperiment er det første skridt i denne retning." Olivia Meyer-Streng