Singlar blir par: Nya insikter om ljusspridning från atomer

Credit: Department of Physics, Humboldt-Universität zu Berlin
Credit: Department of Physics, Humboldt-Universität zu Berlin

Forskare under ledning av Jürgen Volz och Arno Rauschenbeutel från institutionen för fysik vid Humboldt-universitetet i Berlin, partners i DAALI-projektet, har fått nya insikter om hur ljus sprids av en fluorescerande atom, vilket också kan vara användbart för kvantkommunikation. Forskargruppen har nu publicerat sina resultat i tidskriften Nature Photonics.

År 1900 formulerade Max Planck hypotesen att ljus inte kan utbyta godtyckliga mängder energi med materia, till exempel en atom, utan bara vissa diskreta ”energipaket” som kallas kvanta. Fem år senare föreslog Albert Einstein att dessa kvanta inte bara var en beräkningsstorhet, utan att ljuset självt bestod av kvanta, som vi nu kallar fotoner.

I dag finns det faktiskt fotodioder som är tillräckligt känsliga för att registrera en enda foton. Vid kontinuerlig belysning producerar dessa inte en konstant elektrisk signal, utan snarare en serie korta strömpulser. Varje strömpuls indikerar då detekteringen av en enskild foton.

Under förstoringsglaset: Spridning av laserljus

Om ljuset från en enskild atom, som exciteras till fluorescens av en laserstråle, träffar en sådan mycket känslig fotodiod, kommer två fotoner aldrig att detekteras samtidigt. I detta avseende skiljer sig det fluorescerande ljuset från en enskild atom från det laserljus med vilket den exciteras, eftersom fotoner verkligen förekommer samtidigt i laserljus.

Men om två laserfotoner träffar en atom samtidigt kommer atomen bara att absorbera en foton och släppa igenom den andra. Därefter strålar atomen ut den absorberade laserfotonen i en slumpmässig riktning, och först då är den redo att absorbera en ny laserfoton.

Med andra ord kan en enskild atom bara sprida en foton åt gången, och fotonerna i den enskilda atomens fluorescerande ljus träffar detektorn som om de vore uppradade som pärlor på ett snöre. Denna egenskap utnyttjas inom DAALI-projektet och annan forskning om kvantteknik. Inom kvantkommunikation används till exempel enskilda fotoner som avges av naturliga eller konstgjorda atomer för avlyssningssäker kommunikation.

Genom filtret: Enstaka fotoner blir till par

Men nu har forskargruppen vid Humboldt-universitetet kunnat visa en överraskande effekt med hjälp av fluorescerande ljus från en enda atom. När forskarna avlägsnade en viss färgkomponent från ljuset med hjälp av ett filter förvandlades den enskilda fotonströmmen till par av fotoner som detekterades samtidigt.

Genom att ta bort de korrekta från en ström av enstaka fotoner framstår alltså de återstående fotonerna plötsligt som par. Denna effekt kan inte förenas med hur vi uppfattar vår vardagliga värld; om man förbjuder alla gröna bilar från en gata, kör inte de återstående plötsligt i par bredvid varandra. Dessutom verkar den tidigare vissheten om att en atom bara kan sprida en foton åt gången ha motbevisats: Om man betraktar atomen genom rätt färgfilter kan den mycket väl sprida två fotoner samtidigt.

Denna effekt förutsågs för cirka 40 år sedan av Jean Dalibard och Serge Reynaud vid ENS Paris i deras teoretiska arbete om ljusspridning av atomer. Det är dock först nu som den experimentellt har påvisats av teamet som leds av kvantfysikerna Volz och Rauschenbeutel.

”Det här är ett fantastiskt exempel på hur mycket vår intuition sviker oss när vi försöker få en uppfattning om hur processer går till på mikroskopisk nivå”, säger Volz.

”Men det här är mycket mer än bara en kuriositet”, tillägger Rauschenbeutel. ”De fotonpar som genereras är faktiskt kvantmekaniskt sammanflätade. Så det finns en spöklik verkan på avstånd mellan de två fotonerna som Einstein inte ville tro på och tack vare vilken man till exempel kan teleportera kvanttillstånd.”

”Att en enda atom är idealiskt lämpad som källa för sådana intrasslade fotonpar”, instämmer Volz och Rauschenbeutel, ”är något som knappast någon skulle ha trott förrän nyligen.”

Faktum är att den demonstrerade effekten lämpar sig för att realisera källor till intrasslade fotonpar vars ljusstyrka når det teoretiskt möjliga maximumet och därmed överträffar befintliga källor. Dessutom matchar fotonparen i sig de atomer från vilka de sändes ut. Detta gör att man direkt kan koppla samman fotonerna med kvantrepeatrar eller kvantgrindar som använder samma atomer och som krävs för kvantkommunikation över långa avstånd.

Ytterligare information: Luke Masters et al, On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01260-7

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.