Kvantfysiker kan nu destillera ett slags foton snaps. När sprit destilleras, alkoholhalten ökar i förhållande till vattenhalten. En liknande metod utvecklad av ett team från Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching arbetar med lätta kvantfoton. Det extraherar enskilda fotoner från en ljuskälla, trycker tillbaka den oönskade vakuumkomponenten, och rapporterar denna händelse. Sådana enstaka fotoner är viktiga kvantbitar för den kvantinformationsteknik som för närvarande växer fram.

Det påminner verkligen om principen bakom destillation av alkohol - även om enheten som finns i ett laboratorium vid Max Planck Institute of Quantum Optics ser helt annorlunda ut än något som används för att destillera snaps. Garching -experimentet ökar andelen enskilda fotoner i förhållande till vakuumet. Denna motivation kan låta konstig för allmänheten. Dock, den leder direkt till kvantfysikens konstiga värld. Ytterst svaga ljuskällor som kan leverera exakt en foton spelar en central roll i kvantinformationstekniken. Som en kvantbit, en foton kan transportera den elementära kvantinformation som krävs för kvantnät, kvantkryptering, och kvantdatorer - precis som aktuell digital teknik behandlar enskilda bitar som informationsbärare.

Konstruktionen av enstaka fotonkällor är en utmaning som har forskats över hela världen i många år. Det låter häpnadsväckande eftersom det bara tar en enda knapptryckning med en ljusomkopplare för att belysa ett rum. Dock, ljuset från en lampa motsvarar en ström av enorma antal fotoner. Om du dämpar ner en ljuskälla så att bara enstaka fotoner kan komma ur den, du konfronteras med tärningens natur i kvantvärlden; ibland kommer ingenting, och sedan kommer två eller tre fotoner och så vidare. Det är lite som att droppa från ett stillbild. Du kan inte exakt förutse när droppen kommer eller hur stor den kommer att bli.

Inget vakuum får läggas till en ren beredd foton

Fysikerna från Gerhard Rempes avdelning vid Max Planck Institute of Quantum Optics hade inte för avsikt att utveckla ytterligare en enfoton ljuskälla. Istället, deras experiment kan extrahera enskilda fotoner från ljuset från alla mycket svaga ljuskällor - som en stillbild - och på ett tillförlitligt sätt rapportera denna händelse. Strängt talat, det minskar andelen rent vakuum jämfört med att få en foton. Detta är vad du lär dig av Severin Daiß, doktorand vid institutet och första författare till publikationen. En av särdragen i kvantvärlden är att vakuumet i sig representerar ett kvanttillstånd. Om du vill förbereda en foton rent, inget vakuum måste läggas till.

Två utmaningar möts i det nya forskningsarbetet i Rempes team. Den första utmaningen är att få exakt en foton. Det andra är att på ett tillförlitligt sätt upptäcka det. En enda rubidiumatom löser båda uppgifterna i ett steg. Denna atom är i ett slags spegelskåp. Mer exakt, den är instängd mellan två nästan perfekta speglar som vetter mot varandra. Spegelns avstånd i denna "resonator" motsvarar exakt en multipel av en halv våglängd ljus där atomen kan utstråla eller absorbera sin egen foton. I detta system, atomen kan vikas fram och tillbaka mellan två visningslägen som en pekare; detta spelar en viktig roll här.

Flera foton stillbilder i följd ökar ljusets renhet

"Vi kan använda detta atomsystem i resonatorn som en stillbild för fotonen", säger Severin Daiß. Den Garching-baserade gruppen riktar extremt svagt laserljus-från vilket de vill få en enda foton-till hålrummet. Där gör det något som bara fungerar i kvantvärlden:Det trasslar ihop sig med atomresonatorarrangemanget, därigenom bildas ett gemensamt kvanttillstånd. Detta intrasslade tillstånd gör systemet stilla:Med en mätning på atomen, fysiker kan extrahera ett jämnt eller ett udda antal fotoner från det infallande ljuset.

Dock, det här fungerar inte som en switch; kvantvärldens roll-of-the-tärningskaraktär hindrar en foton från att komma igenom med ett knapptryck. "Det som är avgörande här är att vi nu kan använda atomen som en pekare för att rapportera en framgångsrik enkelfotondestillation", förklarar Daiß. Fysikerna låter arrangemanget rulla fotoner men får tärningsräkningen pålitligt visad.

I kombination med extremt svagt ljus, läget "udda foton nummer" kan nu producera händelser med en foton eftersom fler fotoner är sällan tillgängliga. Destillationen lyckades med en "renhet" på 66 procent, vilket innebär att vakuumhalten reducerades till en tredjedel. Jämfört med enstaka fotonljuskällor, detta är ett bra resultat för ett första försök. Denna renhet kan ökas avsevärt med bättre optiska hålrum. Fotondestilleringselementen kan kopplas i serie för att ytterligare öka renheten hos fotonen som passerar igenom. Kvaliteten på ljuset från andra enskilda foton kan också förbättras. Det är som att göra 60 procent (eller högre) vodka från 40 procent vodka.