Licht verwandelte sich in Materie, blieb dann stehen und bewegte sich

Durch die Umwandlung von Licht in Materie und dann wieder zurück haben Physiker zum ersten Mal einen Lichtimpuls gestoppt und ihn dann in geringer Entfernung neu gestartet. Dieser „quantenmechanische Zaubertrick“ bietet eine beispiellose Kontrolle über Licht und könnte Anwendungen in der faseroptischen Kommunikation und Quanteninformationsverarbeitung haben.Lene Hau, Professorin an der Harvard University, erklärt, wie sie das Licht an einer Stelle stoppt und es dann an einer völlig anderen Stelle abruft und beschleunigt. (Foto: Justin Ide / Harvard News Office) In Quantennetzwerken werden Informationen, die optisch über das Netzwerk übertragen werden, in Materie umgewandelt, verarbeitet und dann wieder in Licht umgewandelt. Die Physiker der Harvard University hoffen, dass ihre Entdeckung einen möglichen Weg dafür bieten könnte, da Materie im Gegensatz zu Licht leicht manipuliert werden kann. Ihre Ergebnisse wurden diese Woche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. „Wir zeigen, dass wir einen Lichtimpuls in einer unterkühlten Natriumwolke stoppen, die darin enthaltenen Daten speichern und vollständig auslöschen können, nur um den Puls in einer anderen Wolke zwei Zehntel Millimeter entfernt wieder zu inkarnieren“, sagte Lene Vestergaard Hau, Mallinckrodt-Professorin für Physik und Angewandte Physik an der Harvard’s Faculty of Arts and Sciences und School of Engineering and Applied Sciences.In einem „quantenmechanischen Zaubertrick“, der von Physikern der Harvard University entwickelt wurde, wird ein Lichtimpuls in einer ultrakalten Atomwolke (lila) ausgelöscht, in Materie umgewandelt und dann in einer anderen wiederbelebt, bevor er die zweite Wolke in ihrem ursprünglichen Zustand verlassen kann. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Sean R. Garner) Dies ist ein weiterer Meilenstein für Hau in der Lichtmanipulation. 1998 verlangsamte sie das Licht, das sich im freien Raum mit einer Geschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde bewegt, auf nur 38 Meilen pro Stunde in einer Wolke ultrakalter Atome. Einstein und andere haben theoretisiert, dass die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum nicht verändert werden kann. Zwei Jahre später stoppte sie das Licht in einer ähnlichen Wolke vollständig und startete es dann neu, ohne seine Eigenschaften zu ändern. Für diese Experimente erhielt sie ein Stipendium der MacArthur Foundation in Höhe von 500.000 US-Dollar (sogenannter „Genius Grant“).
In ihrer neuesten Arbeit, Hau und ihre Co-Autoren, Naomi S. Ginsberg und Sean R. Garner fand heraus, dass der Lichtimpuls wiederbelebt und seine Informationen zwischen den beiden Natriumatomwolken übertragen werden können, indem der ursprüngliche optische Impuls in eine wandernde Materiewelle umgewandelt wird, die eine exakte Kopie des ursprünglichen Impulses darstellt und sich mit einer melasseähnlichen Geschwindigkeit von 200 m (600 ft) pro Stunde bewegt. Der Materieimpuls wird leicht wieder in Licht umgewandelt, wenn er in die zweite der unterkühlten Wolken – bekannt als Bose-Einstein-Kondensate – eintritt und mit einem Kontrolllaser beleuchtet wird. „Die Bose-Einstein-Kondensate sind für diese Arbeit sehr wichtig, da Atome in diesen Wolken phasengebunden werden und ihre Individualität und Unabhängigkeit verlieren“, sagte Hau. „Die Lock-Step-Natur der Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat ermöglicht es, dass die Informationen im anfänglichen Lichtimpuls genau in der zweiten Wolke von Natriumatomen repliziert werden, wo die Atome zusammenarbeiten, um den Lichtimpuls wiederzubeleben.“Innerhalb eines Bose-Einstein-Kondensats – einer Wolke aus Natriumatomen, die auf nur Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist – wird ein Lichtimpuls um den Faktor 50 Millionen komprimiert, ohne dass die darin gespeicherten Informationen verloren gehen. Das Licht treibt einige der etwa 1,8 Millionen Natriumatome der Wolke an, um in „Quantenüberlagerungszustände“ einzutreten, wobei eine Komponente mit niedrigerer Energie, die an Ort und Stelle bleibt, und eine Komponente mit höherer Energie, die sich zwischen den beiden Wolken bewegt.Diagramm, das die Zeitlinie für die Harvard-Forschung zeigt. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Naomi S. Ginsberg, Sean R. Garner und Lena V. Hau) werden die Amplitude und Phase des in der ersten Wolke gestoppten und erloschenen Lichtimpulses in diese wandernde Komponente eingeprägt und an die zweite Wolke übertragen, wo die erfasste Information den ursprünglichen Lichtimpuls nachbilden kann. Der Zeitraum, in dem der Lichtimpuls zur Materie wird und der Materieimpuls im Raum zwischen den Kondensatwolken isoliert ist, könnte Wissenschaftlern und Ingenieuren ein verlockendes neues Fenster zur Steuerung und Manipulation optischer Informationen bieten; forscher können optische Informationen während ihrer Reise nicht mehr ohne weiteres kontrollieren, außer um das Signal zu verstärken, um ein Ausbleichen zu vermeiden. Die neue Arbeit von Hau und ihren Kollegen markiert die erste erfolgreiche Manipulation kohärenter optischer Informationen. „Diese Arbeit könnte ein fehlendes Glied in der Steuerung optischer Informationen darstellen“, sagte Hau. „Während sich die Materie zwischen den beiden Bose-Einstein-Kondensaten bewegt, können wir sie möglicherweise für Minuten einfangen und neu formen – ändern – auf welche Weise auch immer wir wollen. Diese neuartige Form der Quantenkontrolle könnte auch Anwendungen in den sich entwickelnden Bereichen der Quanteninformationsverarbeitung und der Quantenkryptographie haben.“Diese Forschung wurde vom Air Force Office of Sponsored Research, der National Science Foundation und der NASA unterstützt.
Für weitere Informationen, Besuch: www.Harvard.edu

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