Precis som i vanlig vägtrafik, korsningar är oumbärliga vid optisk signalbehandling. För att undvika kollisioner, det krävs en tydlig trafikregel. En ny metod har nu utvecklats vid TU Wien för att tillhandahålla en sådan regel för ljussignaler. För det här syftet, de två glasfibrerna kopplades vid sin skärningspunkt till en optisk resonator, där ljuset cirkulerar och beter sig som i en rondell. Cirkulationsriktningen definieras av en enda atom kopplad till resonatorn. Atomen ser också till att ljuset alltid lämnar rondellen vid nästa avfart. Denna regel är fortfarande giltig även om ljuset bara består av individuella fotoner. En sådan rondell kommer följaktligen att installeras i integrerade optiska chips - ett viktigt steg för optisk signalbehandling.

Signalbehandling med ljus istället för elektronik

Termen "optiska cirkulatorer" hänvisar till element vid skärningspunkten mellan två ömsesidigt vinkelräta optiska fibrer som riktar ljussignaler från en fiber till den andra, så att ljusets riktning alltid ändras, till exempel, 90° medurs.

"Dessa komponenter har länge använts för att fritt sprida ljusstrålar, " säger Arno Rauschenbeutel från Wien Center for Quantum Science and Technology vid Institutet för Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien. "Sådana optiska cirkulatorer är mestadels baserade på den så kallade Faraday-effekten:ett starkt magnetfält appliceras på ett transparent material , som är placerad mellan två polarisationsstråldelare som roteras i förhållande till varandra. Riktningen på magnetfältet bryter symmetrin och bestämmer i vilken riktning ljuset riktas om."

Dock, av tekniska skäl, komponenter som använder sig av Faraday-effekten kan inte realiseras i nanoteknikens små skalor. Detta är olyckligt eftersom sådana komponenter är viktiga för framtida tekniska tillämpningar. "I dag, vi försöker bygga optiska integrerade kretsar med liknande funktioner som de är kända från elektroniken, " säger Rauschenbeutel. Andra metoder för att bryta ljusets symmetri fungerar endast vid mycket höga ljusintensiteter eller lider av höga optiska förluster. inom nanoteknik skulle man vilja kunna bearbeta mycket små ljussignaler, helst ljuspulser som enbart består av individuella fotoner.

Två glasfibrer och en flaska för ljus

Teamet av Arno Rauschenbeutel väljer ett helt annat sätt:de kopplar en enda rubidiumatom till ljusfältet i en så kallad "flaskresonator" - ett mikroskopiskt glödformigt glasobjekt på vars yta ljuset cirkulerar. Om en sådan resonator placeras i närheten av två ultratunna glasfibrer, de två systemen kopplas till varandra. Utan en atom, ljuset ändras från den ena glasfibern till den andra via flaskresonatorn. På det här sättet, dock, ingen cirkulationskänsla definieras för cirkulatorn:ljus, som avböjs 90° medurs, kan också resa baklänges via samma rutt, dvs moturs.

För att bryta denna symmetri framåt/bakåt, Arno Rauschenbeutels team kopplar dessutom en atom till resonatorn, som förhindrar kopplingen av ljuset till resonatorn, och därmed överkopplingen till den andra glasfibern för en av de två cirkulationsriktningarna. För detta trick, en speciell egenskap hos ljuset används vid TU Wien:ljusvågens oscillationsriktning, även känd som dess polarisering.

Interaktionen mellan ljusvågen och flaskresonatorn resulterar i ett ovanligt oscillationstillstånd. "Polariseringen roterar som rotorn på en helikopter, " förklarar Arno Rauschenbeutel. Rotationsriktningen beror på om ljuset i resonatorn rör sig medurs eller moturs:i ett fall roterar polarisationen moturs, medan den i det andra fallet roterar medurs. Cirkulationsriktningen och ljusets polarisering är därför sammanlåsta.

Om rubidiumatomen är korrekt förberedd och kopplad till resonatorn, man kan få dess interaktion med ljuset att skilja sig åt för de två cirkulationsriktningarna. "Det medurs cirkulerande ljuset påverkas inte av atomen. Ljuset i motsatt riktning, å andra sidan, kopplar starkt till atomen och kan därför inte komma in i resonatorn, " säger Arno Rauschenbeutel. Denna asymmetri hos ljus-atom-kopplingen med avseende på utbredningsriktningen för ljuset i resonatorn tillåter kontroll över cirkulatorns funktion:den önskade cirkulationskänslan kan justeras via atomens inre tillstånd.

"Eftersom vi bara använder en enda atom, vi kan subtilt kontrollera processen, " säger Rauschenbeutel. "Atomen kan förberedas i ett tillstånd där båda trafikreglerna gäller samtidigt:alla ljuspartiklar färdas sedan tillsammans genom cirkulatorn i både medurs och moturs riktning." detta är omöjligt enligt reglerna för klassisk fysik, eftersom det skulle leda till kaos i vägtrafiken. Men inom kvantfysiken, Sådana överlagringar av olika tillstånd är tillåtna vilket öppnar helt nya och spännande möjligheter för optisk bearbetning av kvantinformation.