tazatel: jak jste se zajímal o fyziku?

LENE: No, myslím, že můj první zájem byl v jistém smyslu v matematice chodit s někým zpět, myslím, do první třídy a měl jsem skvělý učitel matematiky. Myslím, že mít skvělého učitele, který vás opravdu zajímá o předmět, je super, super důležité.

pak, když jsem vstoupil na univerzitu, skončil jsem studiem nějaké matematiky a fyziky a zpočátku jsem si myslel, že se stanu matematikem, dokud se nezačnu učit o kvantové mechanice. To opravdu změnilo můj zájem. Myslel jsem, že kvantová mechanika je naprosto fascinující.

tazatel: co bylo na kvantové mechanice tak přesvědčivé?

LENE: v kvantové mechanice jsou velmi neintuitivní jevy, které jsou stejně divné. Je to, jako by se příroda opravdu takto chovala? Pak jsem měl také zájem o matematiku a skutečnost, že můžete pomocí velmi matematických nástrojů zjistit, jaké jsou například povolené energetické hladiny pro elektron v atomu vodíku.

vypadá to jako čistá matematika. Může se příroda takto chovat? To se nezdá být docela možné, ale přesto existují experimenty, jako je pohled na spektrum, například spektrum záření, druh světla, které vodík vyšle. To opravdu naznačovalo, že na těchto myšlenkách musí být něco.

takže i když to vypadalo jako čistá matematika, zdálo se, že se příroda opravdu chovala tímto způsobem. A pak tu byly tyto šílené, neintuitivní jevy. Víme, že v každém okamžiku má částice určitou přesnost a určitou rychlost, ale teď začínáme mít představu, že částice je možná tento vlnový světelný paprsek a může být tady nebo může být také tam a je to vlastně tak nějak obě místa současně. To jsem si myslel, že je jako, wow; to je docela úžasné.

tazatel: existuje jednoduchý způsob, jak můžete vysvětlit, jak zastavíte světlo?

LENE: No, v podstatě mi připadá světlo naprosto fascinující a není nic, co by šlo rychleji než světlo a světlo cestuje téměř 200 000 mil za sekundu. To je docela ohromující a opravdu není nic, co by to světlo zrychlilo. Pokud začnete posílat světlo oknem-kus skla, sklo má index lomu, a to bude mít tendenci zpomalit světlo jen trochu.

celá myšlenka indexu lomu je myšlenka, proč čočky fungují, proč fungují brýle, že máte index lomu pro materiály. Ve skle je o něco vyšší než ve volném prostoru, ve vakuu nebo ve vzduchu. Takže v podstatě to, co se stane, je, když pošleme světlo skrz kus skla, bude tam hromada elektronů a molekul, které tvoří sklo, a to, co světelný paprsek dělá, je, že začne tyto elektrony dostávat do vibrací.

skutečnost, že se tyto elektrony dostávají do vibrací, samy vyzařují trochu světla, protože se začnou chovat jako malé antény. Světlo, které tak nějak vysílají, se přidá spolu se světlem, které posíláte do okna, takže hlavní efekt toho všeho bude, že světlo se trochu zpomalí, když projde kusem skla jen asi o 30 procent, ne moc.

takže v naší laboratoři jsme začali dostávat tyto nápady, že možná můžeme začít dostat světlo, aby šlo opravdu pomalu, tak pomalu, že ho můžete porazit na kole. Celá tato myšlenka mě vždy naprosto fascinovala, protože opět neexistuje nic, co by šlo rychleji než světlo, a pokud to dokážete nějak ovládat, zkrotit, do té míry, že to můžete dostat na lidské měřítko, abyste to mohli porazit na kole, já jen to, že to je fantastické.

tazatel: takže zastavujete světlo zvýšením indexu lomu?

LENE: pokud začnete tento index lomu stále více zvyšovat, abyste zpomalili světlo, v médiu se stane, že odrážíte veškeré světlo z média ještě předtím, než vstoupí. To, co uděláte tímto způsobem, je jen vytvořit nejlepší zrcadlo na světě. Není to nijak zvlášť zajímavé, takže musíme udělat něco úplně jiného a ve skutečnosti nevytvoříme příliš velký index lomu. To je matoucí pro mnoho lidí, protože si myslí, že to je to, co děláme.

ve skle to částečně zpomalíte, protože index lomu je o něco vyšší než ve volném prostoru, což znamená, že také odrážíte světlo z média dříve, než se tam vůbec dostane. Kromě toho máte také absorpci světla v médiu a to znamená, že množství světla, které skutečně vstoupí do média, nedostanete všechno na druhou stranu, protože některé z nich budou absorbovány, pohlceny, médiem.

způsob, jakým se pohltí, je, že jde do tepla v médiu; trochu zahřeje sklo a nikdy nedostanete, že se teplo změní zpět na světlo. Už ji nikdy nepřidáte ke svému světelnému pulsu.

tazatel: jak je tedy možné zastavit světlo, není to šílený nápad?

LENE: Ano. Přesně to říkali mí kolegové. Říkali, nejsi blázen? V podstatě parafrázuji. Jde o to, že zpočátku jsem opravdu umíral, abych dostal ruce na kondenzát, protože to byl zcela nový stav hmoty, který měl být super-tekutý stav hmoty. Jen jsem chtěl dostat své ruce na to; byl jsem zvědavý začít hrabat na to a uvidíme, jak to bude reagovat. Jaké vlastnosti má?

nejlepší, na co jsem mohl myslet, bylo poslat světlo do tohoto kondenzátu a světlo, které je obzvláště trochu dramatické poslat dovnitř, jmenovitě světlo, které má vlnovou délku nebo frekvenci, která je naladěna velmi přesně tak, aby odpovídala konkrétní charakteristické frekvenci atomů. Jakmile to dostanete, nazývá se to rezonanční stav. Jakmile získáte tuto rezonanční podmínku, získáte velmi silnou interakci mezi atomem a laserovým světlem.

chladíme a vytváříme kondenzáty z atomů sodíku a to, co děláme, je poslat laserové světlo s vlnovou délkou tak, že světlo je žluté, takže zhruba 589 nanometrů, takže je to druh žlutého světla jako ze sodíkových pouličních lamp. Tato vlnová délka je taková, že přesně odpovídá této charakteristické frekvenci atomů sodíku. Takže například sodík absorbuje hodně světla, pokud do něj pošleme světlo s touto konkrétní frekvencí nebo vlnovou délkou, tohoto žlutého světla.

takže vyslání rezonančního světla do kondenzátu je obzvláště nebezpečné, ale také obzvláště zajímavé, protože získáte velmi silnou interakci. Například fotony sodíku absorbují světlo z tohoto paprsku velmi efektivně, ale to je přesně ta nebezpečná situace, ve které se nachází, protože zde máte tyto superchlazené atomy a pokud atom v tomto atomovém oblaku právě absorboval jeden foton, stačí, že z tohoto jediného fotonu absorpce, že atom dostane malý kop a pak bude v podstatě vyhozen přímo z atomového mraku, z kondenzátu, a prostě ho ztratíme. Ve skutečnosti, na cestě ven tento atom začne bušit do ostatních atomů a ve skutečnosti zahřívá celou věc a celý kondenzát se v podstatě vypaří.

pokud začnete posílat rezonanční laserové světlo do kondenzátu, měli byste kondenzát odfouknout. Proto mi kolegové řekli: „jsi blázen. To je příliš nebezpečné.“Jde o to, že díky této velmi dramatické interakci mezi atomy a laserovým světlem máte také obrovskou citlivost, pokud jde o zkoumání těchto kondenzátů, a to je to, po čem jsem šel a opravdu jsem to dostal, protože je to opravdu filozofie.

pokud chcete něco sondovat, sondujte to tak tvrdě, jak jen můžete, aniž by se úplně rozpadlo. Tak, don ‚ t ding to trochu; ding to hodně a pak trochu vidět, co se stane.

tazatel: takže pokud si vaši kolegové nemysleli, že to bude fungovat, proč jste si mysleli, že to bude fungovat?

LENE: Myslel jsem, že to bude fungovat, protože pokud správně ovládáte parametry, můžete použít tuto velmi dramatickou interakci k velmi, velmi citlivému zkoumání vlastností.

právě v tomto procesu zkoušení kondenzátů s tímto rezonančním laserovým paprskem jsme si začali uvědomovat, co když nemáte jeden, ale dva přesně vyladěné laserové paprsky s přesnými světelnými vlastnostmi přicházejícími v pravém úhlu se správnými vlnovými délkami a to vše? Pokud máte dva z nich, tito dva mohou společně dělat správné věci s atomy tak, že ve skutečnosti byste mohli zpomalit světlo na rychlost kola.

myslím samozřejmě, že je to jedna věc, mít představu, že by něco mělo fungovat, ale bylo to úplně jiná věc, aby to skutečně fungovalo v laboratoři. Vyrazili jste a nastavili jste to podle toho, jak si myslíte,že by to mělo fungovat, ale, wow, nefungovalo to tak, jak by mělo. Co by tu mohlo být špatně?

když věci nefungovaly, opravdu jste museli neustále přemýšlet o tom, co bych zde měl změnit? Co se to děje? Bylo to tak intenzivní. Skoro jsem vešel do sprchy s oblečením, protože jsme o tom pořád přemýšleli.

tazatel: ale nevzdali jste se. Co se stalo potom?

LENE: nakonec jsme začali vidět trochu zpomalení. Samozřejmě, to je jako uprostřed noci, jako 4:00 am nebo tak něco, a tak nějak se díváte pod svůj dalekohled a začnete měřit světelné impulsy, které se zdánlivě trochu zpomalily. Ale pak jsme samozřejmě nervózní. Jé, narazil někdo z nás na knoflík na osciloskopu? Možná je to artefakt. Takže jsme museli udělat kontrolní experiment, takže to znamená, že jsme museli znovu načíst atomy do systému a ochladit je a vytvořit kondenzát a pak poslat další světelný puls a pokusit se zjistit, zda se zpomalil.

celý tento proces trval zhruba dvě minuty, ale myslím, že to byly nejdelší dvě minuty v mém životě. Pak, nakonec jsme to změřili podruhé a určitě to bylo zpomaleno. To bylo opravdu vzrušující. Bylo to jen trochu zpomalení, ale bylo to jako „Myslím, že tu něco máme.“A pak to byla otázka pořád tlačit a pak jsme to dostali na rychlost letadla a pak, to bylo v létě ’98, a v tu chvíli jsem najednou musel jít do Kodaně učit mistrovskou třídu.

nechtěl jsem jít, ale slíbil jsem, že budu učit tuto třídu, takže jsem musel jít. Vzpomínám si, že jsem vzlétl v letadle z Bostonu do Kodaně a sledoval rychlost letadla na velké obrazovce a přemýšlel oh, wow; teď jdeme rychleji než můj světelný puls v laboratoři. Počítal jsem, že kdybych v době, kdy jsem odešel v letadle, vyslal z Bostonu světelný puls, dorazil bych do Kodaně hodinu před svým světelným pulsem.

takže jsem byl v podstatě týden v Kodani a pak jsem spěchal zpět do Cambridge, abych pokračoval v experimentech. Pak, zhruba o měsíc nebo dva později jsme začali zpomalovat světlo na rychlost kola. Pamatuju si tu noc. To bylo znovu uprostřed noci a vy jste tam jen seděli a jste jen první člověk v historii, který byl v tomto režimu přírody a viděl světlo jít tak pomalu. Bylo to opravdu úžasné a úžasný pocit a tak nějak stojí za všechnu tvrdou práci, která předtím odešla.

tazatel: můžete podrobněji vysvětlit zastavení světla v BEC?

LENE: brzdové světlo přišlo po pomalém světle, Ano. Takže zpomalujeme světlo faktory 10100 000 000. Nemluvíme jako 30 procent v okně; je to faktor 10100 000 000. Takže z 200 000 mil za sekundu klesáme na 15 mil za hodinu a to je druh zpomalení.

co se stane, je to, že spolu se zpomalením světelný puls také prostorově komprimuje stejným faktorem, jako se zpomaluje. Takže teď tu máme malý malý oblak studeného vzduchu chlazený na několik miliardtin stupně nad absolutní nulou. Je opravdu, opravdu chladno a oblak má velikost jen 0,1 milimetru, takže je to docela malý oblak, který držíme ve vakuové komoře.

pak pošleme světelný puls dovnitř a světelný puls je asi míli dlouhý, když začíná ve volném prostoru a pak ho začneme posílat do našeho atomového mraku. To, co se stane, je, že přední hrana zpomalí, protože teď začíná vstupovat do atomového mraku, ale zadní hrana je stále ve volném prostoru, takže ocas je tady, a to bude pokračovat normální rychlostí světla. Takže nyní se zadní hrana začne dohánět k přední hraně, takže se tento světelný puls stlačí jako malý koncert.

jak jsem řekl, stlačuje se stejným faktorem, jako Ho zpomalujeme, takže z jedné míle na 0,02 milimetrů je méně než polovina tloušťky vlasů; tak malý světelný puls končí. V tomto okamžiku se zcela vejde do atomového mraku, i když je atomový mrak menší, světelný puls se nakonec zmenší, takže se vejde dovnitř. Pokud ji pak necháme šířit, bude se šířit velmi, velmi pomalu rychlostí atomu a nakonec začne vycházet na druhou stranu.

v tomto okamžiku začne světelný puls vystupovat. Přední hrana vzlétne, zrychluje zpět a světelný puls se natáhne a skončí s přesně stejnou délkou, jakou musel začít, asi míli. Pak se nakonec pohybuje dál, zrychluje zpět a pohybuje se normální vysokou rychlostí světla, ale jakmile to zpomalíte a stlačíte a obsažíte V atomovém oblaku, světelný puls ve skutečnosti dělá malý otisk, jako malý holografický otisk v atomovém oblaku.

takže ve skutečnosti mění vnitřní stav atomů v kondenzátu, když tvoří tento otisk. Tento otisk následuje podél světelných impulzů, jak se pomalu šíří atomovým mrakem, a nyní, když se nám to líbí, můžeme skutečně úplně zastavit tento světelný puls, protože je zcela obsažen v atomovém oblaku a můžeme ho úplně zastavit, vypnout světelný puls a pak jen držet holografický otisk. Potom můžeme zmrazit otisk v atomovém oblaku a později se můžeme rozhodnout, že ten hologram změníme zpět na světlo. Oživujeme světelný puls a posíláme ho, jako by se nic nestalo.

tazatel: Co v současné době motivuje váš výzkum?

LENE: v podstatě to, co nyní motivuje náš výzkum, je to, že jsme našli tuto metodu, pomocí které můžeme zcela převést světlo na hmotu a zpět na světlo bez ztráty informací. Takže máme světelný puls; můžeme vytvořit dokonalou hmotnou kopii tohoto světelného pulsu s přesně stejnými vlastnostmi a stejným tvarem, stejným informačním obsahem, a neexistuje žádný jiný způsob, jak to udělat.

to, co nám nyní umožňuje do budoucna, je, že můžeme začít vytvářet to, čemu se říká například kvantové sítě. Je to takový kvantově mechanický analog informací, optické komunikace, optické sítě, kterou dnes známe, kde rádi posíláme data v optických vláknech, vysoké datové vlny a to vše a stahujeme je do našich počítačů. Ale je tu trochu jiný způsob, jak to udělat, kde můžeme začít vysílat kvantové stavy světla kolem optických vláken.

pro tento účel světlo funguje skvěle. Můžete kódovat informace ve světle a odeslat je v optických informacích. Je to skvělé pro dopravu, ale problém je, pokud chcete ovládat optické informace, pokud chcete skutečně změnit informace nebo chcete manipulovat s nimi nebo chcete zpracovat a chcete určit, kam bych měl tyto informace směrovat, to vše vyžaduje kontrolu světla a to je kvantový stav světla.

to je důvod, proč chcete vzít světlo a přeměnit ho na hmotnou formu, protože v hmotné formě s ním můžete manipulovat extrémně mocně, což nemůžete dělat, když je ve světelné formě. Pak, v hmotné formě můžete manipulovat s neuvěřitelně mocně a pak, jakmile budete hotovi jej zase zpět do světla a poslat ho dolů další optické vlákno. Takže tyto možnosti jsou nesmírně vzrušující a to vše otevírá celou oblast možností.

tazatel: světlo se používá právě teď kopírovat a přesouvat data. Jak se od toho bude lišit kvantová mechanická manipulace se světlem?

LENE: Takže v podstatě to, co děláte, když normálně vysíláte světelné impulsy dolů optickým vláknem, je, že přicházejí k routeru a pak můžete změnit optické informace na elektronické signály. Problém je, když to uděláte, že ztratíte velkou část informací. Nemůžete převést všechny informace, které jsou ve světelném pulsu, na elektronické signály, ale pomocí metod, které jsme vyvinuli, můžete vzít světelný puls a přeměnit všechny informace na hmotu.

takže neexistuje žádná ztráta informací? Amplituda, fáze; statistika: kolik fotonů mám ve světelném pulsu a kvantově mechanicky bych vlastně neměl přesný počet fotonů. Mohl bych mít 1 000 a pak ve stejnou dobu mám ve skutečnosti 1 001 a 1 002 najednou. Tato statistika, jak ji nazýváme, je zachována, když ji proměníme v hmotu. Pak s ní můžeme manipulovat ve formě hmoty a pak ji přeměnit zpět na světlo, abychom uchovali všechny informace. Nic neztratíme a prostě neexistuje jiný způsob, jak toho dosáhnout, protože metody, které dnes používáme, ztrácejí velkou část informací.

tazatel: Jaký je rozdíl v měřítku mezi routerem, kondenzátovým routerem Bose-Einstein a elektronickým routerem?

LENE: můžete říci, že v tuto chvíli máme prostor plný optiky a není to úplně praktický systém, ale to je věc, že pokud se pohybujete v novém režimu, tak všechno začíná, velký prototypový systém. A, samozřejmě, pak by se možná stalo, že byste řekli Dobře, jé, mohu to použít pro konkrétní aplikaci.

Mohli bychom vytvořit systém, který je mnohem praktičtější a dokáže přesně toto? Pak bys řekl dobře, jo, možná můžeme. Pak byste řekli, na které vlastnosti bychom se měli zaměřit, které bychom měli optimalizovat? Pak byste se pokusili vytvořit praktický systém kolem této sady návrhových kritérií. To by mohlo být něco jako implementace experimentu, který máme s malými nanostrukturami, jako jsou integrované čipové struktury při pokojové teplotě. To je určitě vzrušující možnost.

tazatel: takže se snažíte vypočítat informace, aniž byste zničili kvantovou mechanickou podivnost?

LENE: Ano! Přesně tak. Dalo by se říct, že se snažíme vytvořit počítač. Z čeho se skládá počítač? Počítač se skládá ze dvou hlavních složek. Má paměť a procesor. Takže musíme být schopni ukládat a držet optické informace, aniž bychom zničili jakékoli informace, a zároveň musíme být schopni je zpracovat a změnit kontrolovaným způsobem.

chceme udělat obojí a s těmito nejnovějšími výsledky, kdy přeměníme světlo na kopii hmoty a pak můžeme začít měnit kopii hmoty a pak ji přeměnit zpět na světlo, můžeme vytvořit proces optické informace, kde nezničíme žádnou z kvantových informací ve světelných pulzech. Uchováváme je do hmotné podoby a pak je zpracováváme a pak je proměňujeme Zpět ve světlo.

tazatel: kde jsme, pokud jde o Bose-Einsteinovy kondenzáty a manipulaci se světlem? Jsme na samém začátku?

LENE: Jo. Myslím, že jsme viděli jen špičku ledovce, protože to, co je opravdu vzrušující, je to, že poprvé máte světlo, které se můžete proměnit v hmotnou formu bez ztráty informací. Světlo je fantastické pro kódování informací a přepravu těchto informací. Ale jakmile máte světelné informace, které změníte na hmotnou formu, máte extrémně silné metody zpracování.

to je, když můžete začít manipulovat, zpracovávat informace a jakmile dokončíte zpracování, změníte je zpět na světlo. To je extrémně výkonné nastavení a naprosto jedinečné. Neexistuje žádný jiný způsob, jak přeměnit světlo na hmotu a zpět na světlo a provádět zpracování mezi tím a dělat celou věc na klasických stavech světla, kvantových stavech světla. Je extrémně silný.

Jedná se o zcela nový systém, kde máme zcela nová paradigmata, která můžeme sledovat. Jsme teprve na začátku této, myslím, velmi vzrušující sady možností v této zcela nové oblasti.