Et atom i et hulrum udvinder meget rene enkeltfotoner fra svagt laserlys

Kvantfysikere kan nu destillere en slags foton snaps. Når spiritus destilleres, alkoholindholdet stiger i forhold til vandindholdet. En lignende metode udviklet af et team fra Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching arbejder på lette kvantefoton. Det udtrækker individuelle fotoner fra en lyskilde, skubber den uønskede vakuumkomponent tilbage, og rapporterer denne begivenhed. Sådanne enkeltfotoner er vigtige kvantebits for den nuværende kvanteinformationsteknologi.

Det minder faktisk om princippet bag destillation af alkohol - selvom enheden, der ligger i et laboratorium ved Max Planck Institute of Quantum Optics, ser helt anderledes ud end noget, der bruges til destillering af snaps. Garching -eksperimentet øger andelen af ​​individuelle fotoner i forhold til vakuumet. Denne motivation kan lyde mærkelig for den brede offentlighed. Imidlertid, det fører direkte til kvantefysikkens mærkelige verden. Ultimativt svage lyskilder, der kan levere præcis én foton, spiller en central rolle i kvanteinformationsteknologien. Som en kvantebit, en foton kan transportere den elementære kvanteinformation, der kræves til kvantenetværk, kvantekryptering, og kvantecomputere - ligesom den nuværende digitale teknologi behandler individuelle bits som informationsbærere.

Konstruktionen af ​​enkelte fotonkilder er en udfordring, der har været forsket verden over i mange år. Dette lyder forbløffende, fordi det kun kræver et enkelt tryk på en lyskontakt for at oplyse et rum. Imidlertid, lyset fra en lampe svarer til en strøm af et enormt antal fotoner. Hvis du dæmper en lyskilde i en sådan grad, at kun enkelte fotoner kan slippe ud af den, du bliver konfronteret med kvanteverdenens terningkastning; nogle gange kommer der ikke noget, og så kommer der to eller tre fotoner og så videre. Det er lidt ligesom dryppende fra et stillbillede. Du kan ikke præcist forudsige, hvornår faldet kommer, eller hvor stort det vil være.

Der må ikke tilsættes vakuum til en rent forberedt foton

Fysikerne fra Gerhard Rempes 'afdeling ved Max Planck Institute of Quantum Optics havde ikke til hensigt at udvikle endnu en enkelt-foton lyskilde. I stedet, deres eksperiment kan udtrække individuelle fotoner fra lyset fra enhver meget svag lyskilde - som en stille - og pålideligt rapportere denne begivenhed. Strengt taget, det reducerer brøkdelen af ​​rent vakuum i forhold til at få en foton. Dette er, hvad du lærer af Severin Daiß, ph.d.-studerende ved Instituttet og førsteforfatter til publikationen. En af kendetegnene ved kvanteverdenen er, at vakuumet i sig selv repræsenterer en kvantetilstand. Hvis du vil forberede en foton rent, der må ikke tilføjes vakuum.

To udfordringer samles i det nye forskningsarbejde i Rempes 'team. Den første udfordring er at få nøjagtigt en foton. Den anden er at opdage det pålideligt. Et enkelt rubidiumatom løser begge opgaver i et trin. Dette atom er i en slags spejlskab. Mere præcist, den er fanget mellem to næsten perfekte spejle, der vender mod hinanden. Afstanden af ​​spejlene i denne "resonator" svarer præcis til et multiplum af en halv bølgelængde af lys, hvori atomet kunne udstråle eller absorbere sin egen foton. I dette system, atomet kan foldes frem og tilbage mellem to displaypositioner som en markør; dette spiller en vigtig rolle her.

Flere foton stillbilleder i rækkefølge øger lysets renhed

"Vi kan bruge dette atomsystem i resonatoren som et stillbillede for foton", siger Severin Daiß. Den Garching-baserede gruppe retter ekstremt svagt laserlys-hvorfra de ønsker at få en enkelt foton-ind i hulrummet. Der gør den noget, der kun virker i kvanteverdenen:Den vikler sig ind i atom-resonator-arrangementet, derved danner en fælles kvantetilstand. Denne sammenfiltrede tilstand gør systemet til et stille:Med en måling på atomet, fysikere kan udtrække et lige eller et ulige antal fotoner fra det indfaldende lys.

Imidlertid, dette fungerer ikke som en switch; kvanteverdenens terningkastning forhindrer en foton i at komme igennem med et tryk på en knap. "Det afgørende her er, at vi nu kan bruge atomet som en markør til at rapportere en vellykket enkelt-foton-destillation", forklarer Daiß. Fysikerne lader arrangementet rulle fotoner, men får terningstallet vist pålideligt.

I forbindelse med ultra-svagt lys, tilstanden "ulige fotonnummer" kan nu producere begivenheder med en foton, fordi flere fotoner sjældent er tilgængelige. Destillationen lykkedes med en "renhed" på 66 procent, hvilket betyder, at vakuumindholdet blev reduceret til en tredjedel. Sammenlignet med enkelt foton lyskilder, dette er et godt resultat for et første forsøg. Denne renhed kan øges betydeligt med bedre optiske hulrum. Fotondestilleringselementerne kan forbindes i serie for yderligere at øge renheden af ​​fotonet, der passerer igennem. Kvaliteten af ​​lyset fra andre enkelte fotonkilder kan også forbedres. Det er som at lave 60 procent (eller mere) vodka ud fra 40 procent vodka.