1. oktober 2020

Forskere får lysfotoner til at gå i gåsegang

KVANTEOPTIK:

Forskere fra Tyskland, Danmark og Østrig har formået at omdanne laserlys i optiske fibre til en enkelt række af isolerede fotoner. Ifølge Anders Søndberg Sørensen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, der var involveret i eksperimentets teoretiske fase, kan muligheden for at isolere fotoner vise sig at være afgørende for en bredere udforskning af kvantekommunikation. Resultaterne af eksperimentet er offentliggjort i Nature Photonics i denne uge.

Lyspartikler møder en sky af atomer, mens de passerer gennem en glasfiber. Disse ’dørvogter-atomer’ sikrer, at lyspartiklerne kun kommer ud på den anden side i en velordnet række, den ene efter den anden.  Photo: Humboldt University
Lyspartikler møder en sky af atomer, mens de passerer gennem en glasfiber. Disse ’dørvogter-atomer’ sikrer, at lyspartiklerne kun kommer ud på den anden side i en velordnet række, den ene efter den anden. Photo: Humboldt University

Fysikere har længe studeret samspillet mellem lys og stof og den måde, hvorpå lyspartikler, såkaldte fotoner, påvirkes, når de sendes gennem skyer af atomer. Forskere i kvanteoptik er særligt interesserede i dette, fordi det kan hjælpe dem med at finde mere sikre måder at behandle information, for eksempel ved at sende information i form af rækker af enkelte fotoner.

Indtil nu har udfordringen været, hvordan man 'fodrer' fotoner ind i glasfiber på en sådan måde, at de kommer ud på den anden side i en velordnet række, den ene efter den anden. "Det er afgørende for at lave kvanteteknologier, hvor vi koder information i individuelle fotoner og atomer", forklarer professor Anders Søndberg Sørensen, leder af den teoretiske kvanteoptikgruppe ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Hvis man vil sende kodede oplysninger, skal du kunne sende fotonerne i ordnede og isolerede rækker. "Hvis du kan gøre det, arbejder du hen imod dramatiske nye måder at behandle oplysninger på. Enkeltfotoner kan for eksempel bruges til at sende krypterede beskeder, som ikke kan aflyttes," tilføjer Søndberg Sørensen.

150 er det magiske tal

I deres eksperiment undersøgte forskerne, hvor mange ”dørvogter-atomer” en foton skulle møde for at komme ud isoleret i den anden ende. Til dette formål skulle de kontrollere antallet af atomer langs laserstrålen i glasfiberen helt præcist. Forslaget til eksperimentet kom fra Søndberg Sørensen og teoretiske fysikere ved Leibniz Universitet Hannover. Forskergruppen ledet af Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel på Humboldt Universitetet i Berlin udførte derefter eksperimentet ved hjælp af et kraftfuld atom-lys interface, hvor atomer fanges i nærheden af en såkaldt optisk nanofiber, som er hundrede gange tyndere end et menneskehår.

Med brug af en pincet af laserlys blev atomerne holdt på plads præcis 0,2 mikrometer fra glasfiberens overflade, mens laserlys kølede atomer ned til en temperatur på et par milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt. Forskerne fandt, at når der var omkring 150 atomer fanget i nærheden af nanofiberen, kom fotonerne ud én efter én. Hvis de brugte færre atomer, ville fotonerne være upåvirket; hvis de brugte flere, ville fotonerne komme ud i par.

Et uventet resultat

Søndberg Sørensen er begejstret for resultaterne af eksperimentet. Ikke alene var det uventet, at forskerne fandt det nøjagtige interval, der fører til transmission af enkelt fotoner, men også, at det var muligt at gøre det med svagt koblede atomer. "Det gode ved dette interface er, at det er forholdsvis enkelt, og at det fungerer med svagt koblede atomer, hvilket betyder, at det også kan anvendes på for eksempel røntgenstråler i fremtiden", forklarer Søndberg Sørensen.

Hvad det præcist kan betyde for fremtiden er et åbent spørgsmål. "Sådanne kilder har aldrig været tilgængelige før, så vi forstår endnu ikke hele spektret af anvendelsesmuligheder," siger Søndberg Sørensen. "Men potentielt kunne det bruges til ultra-følsomme målinger og giver mulighed for meget bredere udforskning af kvanteteknologier."

Link til den videnskabelige artikel: “Correlating photons using the collective nonlinear response of atoms weakly coupled to an optical mode”, Adarsh S. Prasad, Jakob Hinney, Sahand Mahmoodian, Klemens Hammerer, Samuel Rind, Philipp Schneeweiss, Anders S. Sørensen, Jürgen Volz, and Arno Rauschenbeutel, Nature Photonics, 21/09/2020,

DOI 10.1038/s41566-020-0692-z: https://www.nature.com/articles/s41566-020-0692-z