De fyra linserna omger resonatorn och används för att fokusera laserstrålarna som håller atomen i resonatorn och för att observera atomen. Kredit:Miguel Martinez-Dorantes / University of Bonn
Låt oss anta att du fick binda för ögonen på den tyska fotbollsstjärnan Timo Werner och vända honom på sin egen axel flera gånger. Sedan ber du honom att ta en kulblind. Det skulle vara ytterst osannolikt att han skulle träffa målet.
Bonn-fysiker lyckades ändå uppnå 90 procents poäng i en liknande situation. Dock, deras spelare var nästan 10 miljarder gånger mindre än den tyske stjärnanfallaren – och mycket mindre förutsägbar.
Det var en rubidiumatom som forskarna hade bestrålat med laserljus. Atomen hade absorberat strålningsenergi och gått in i ett exciterat tillstånd. Detta har en definierad livslängd. Atomen frigör sedan den absorberade energin genom att sända ut en partikel av ljus:en foton.
Riktningen i vilken denna foton flyger är en ren tillfällighet. Dock, detta ändras när rubidium placeras mellan två parallella speglar, för då föredrar atomen att skjuta mot en av speglarna. I exemplet med Timo Werner, det skulle vara som om målet på magiskt sätt lockade bollen.
Detta fenomen kallas Purcell-effekten. Dess existens upptäcktes för flera decennier sedan. "Vi har nu använt Purcell-effekten för riktad emission av fotoner från en neutral atom, " förklarar Dr. Wolfgang Alt från Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bonn.
Bilden visar de två glasfibrerna (överst i mitten). Deras ändar är reflekterande belagda så att de bildar en så kallad resonator. Rubidiumatomen är införd mellan dem. Efter excitation, den strålar sedan ut fotonerna i första hand i riktning mot speglarna (och därmed glasfibrerna). Speglarna har en diameter på endast 0,1 mm. Kredit:Jose Gallego / University of Bonn
Det finns ett stort intresse för Purcell-effekten, dels för att det möjliggör konstruktionen av så kallade kvantrepeaters. Dessa behövs för att överföra kvantinformation över långa avstånd. Även om det är möjligt att sätta en foton i ett visst kvanttillstånd och skicka den genom en ljusledare, detta kan endast göras över begränsade avstånd; för större avstånd, signalen måste buffras.
Repeaters förmedlar kvantinformation
I kvantrepeatern, fotonen leds till en atom som sväljer den och övergår därigenom till ett annat tillstånd. Som svar på en läspuls med en laserstråle, atomen spottar ut ljuspartikeln igen. Den lagrade kvantinformationen behålls.
Den emitterade fotonen måste nu samlas upp och matas tillbaka till en ljusledare. Men det är svårt när fotonen frigörs i en slumpmässig riktning. "Vi har lyckats tvinga fotonerna in på banan mellan de två speglarna med Purcell-effekten, " förklarar Alt. "Vi har nu gjort en av speglarna delvis transmissiv och kopplat en glasfiber till den. Detta gjorde det möjligt för oss att introducera fotonen relativt effektivt i denna fiber."
Purcell-effekten har också en annan fördel:den förkortar tiden det tar för rubidiumatomen att lagra och frigöra kvantinformationen. Denna hastighetsökning är extremt viktig. Endast om repeatern fungerar tillräckligt snabbt kan den kommunicera med sändaren av informationen, en så kallad kvantprick. I dag, kvantprickar anses vara den bästa källan för enskilda fotoner för överföring av kvantinformation, som är helt säker från att bli avlyssnad. "Våra experiment tar denna viktiga framtida teknik ett steg längre, " säger Alt.
