Исследование и использование взаимодействия света и вещества в оптических резонаторах – одна из центральных тем исследований Отделения квантовой динамики профессора Герхарда Ремпе, директора Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге. Пару лет назад команде удалось создать однофотонные излучатели с использованием отдельных атомов, хранящихся в оптических резонаторах.
Стационарные атомы могут, например, служить узлами для обмена квантовой информацией в квантовой сети на большом расстоянии.
Теперь ученые пошли еще дальше. Они захватили пару атомов с четко определенными относительными положениями в таком резонаторе и рассеяли свет из этой «двойной щели»."Они наблюдали интерференционные явления, которые противоречат устоявшейся интуиции.
Эти результаты стали возможными благодаря развитию техники, которая позволяет управлять положением атомов с точностью, намного меньшей длины волны рассеянного света. Одна из мотиваций этого эксперимента – лучше понять фундаментальные аспекты квантовой электродинамики резонатора. Кроме того, этот метод открывает путь к изучению новых концепций создания сцепления между квантовыми битами и, таким образом, открывает новые перспективы для обработки квантовой информации (
Ключевым элементом экспериментальной установки является оптический резонатор, состоящий из двух высокоотражающих зеркал, расположенных на расстоянии 0.5 мм.
Внутри резонатора образуется так называемая оптическая решетка путем пересечения двух ретро-отраженных лазерных лучей, один из которых ориентирован ортогонально, а другой – вдоль оси резонатора. Получающийся светлый узор из ярких и темных пятен напоминает шахматную доску с периодом около половины микрометра.
Эти пятна определяют узлы решетки, в которых атомы могут быть захвачены и где они локализованы, примерно до 25 нанометров.
Сначала в оптическую решетку загружают пару атомов рубидия, предварительно охлажденных до очень низких температур.
Обнаруживая их флуоресцентный свет с помощью объектива микроскопа с высоким разрешением, атомы можно идентифицировать как отдельные световые пятна. Лишние атомы впоследствии удаляются путем индивидуального нагрева их резонансным лазерным лучом, пока не останется только пара атомов с желаемым расстоянием. «Это« двойная щель », из которой рассеивается резонансный лазерный свет, распространяющийся поперек резонатора», – объясняет Андреас Нойцнер, который выполнил этот эксперимент в рамках своей докторской диссертации.
«Интерференция может наблюдаться только в том случае, если фазовое соотношение между двумя источниками света фиксировано», – объясняет доктор. Стефан Риттер, еще один ученый, участвующий в эксперименте. «Чтобы исследовать интерференцию как функцию фазы, мы должны знать положение атомов с точностью намного ниже длины волны 780 нанометров."Хотя разрешение системы визуализации ограничивает размер изображений атомов до 1.3 микрометра, ученые могут локализовать излучающие атомы с точностью до 70 нанометров и тем самым назначить их положение определенному узлу решетки.
Следовательно, расстояние между двумя атомами, обычно около 10 микрометров, точно известно.
Резонатор способствует излучению вдоль своей оси и усиливает взаимодействие между атомами и рассеянным светом, который многократно отражается между зеркалами.
Сила света просачивается через одно из зеркал – я.е. частота фотонов – регистрируется как функция относительной фазы двух атомов.
Наблюдаемая интерференционная картина демонстрирует несколько интригующих особенностей, которых нельзя ожидать в более простой картине двух классических диполей в свободном пространстве.
Во-первых, в случае синфазной (конструктивной) интерференции интенсивность составляет всего 1 раз.3 больше, чем скорость, наблюдаемая для одиночного атома, тогда как для более простой картины ожидается четырехкратный больший сигнал. Это явление восходит к различным световым полям внутри резонатора, которые необходимо учитывать.
В отличие от классического эксперимента с двумя щелями, имеет значение не только соотношение фаз между рассеянными световыми волнами. Скорее всего, суперпозиция рассеянного света со световым полем резонатора в конечном итоге приводит к снижению напряженности в максимумах поля.
Вторая особенность возникает при противофазных (деструктивных) помехах.
Здесь скорость фотонов падает ниже значения, измеренного для отдельного атома, но не достигает нуля, как можно было бы интуитивно ожидать. Поразительно, но наблюдаются чрезвычайно сильные флуктуации интенсивности, так называемая группировка фотонов. «Это явление возникает из-за того, что в случае деструктивной интерференции атомы могут излучать фотоны только попарно и одновременно в резонатор», – объясняет Андреас Нойцнер.
«В этом эксперименте мы впервые объединили три ключевых метода: Используя оптическую решетку, мы позиционируем атомы с высокой точностью, а затем локализуем их с помощью микроскопа высокого разрешения.
Взаимодействие с резонатором позволяет направленное обнаружение рассеянного света », – говорит Стефан Риттер. «Недавно разработанные методы необходимы для будущих экспериментов, направленных на изучение коллективных радиационных эффектов, предсказанных для многоатомных систем», – резюмирует проф. Герхард Ремпе. «С другой стороны, они предлагают возможность реализовать новые протоколы для квантовой обработки информации с несколькими квантовыми битами."