Interviewer: Wie haben Sie sich für Physik interessiert?

LENE: Nun, ich denke, mein erstes Interesse galt in gewisser Weise Mathematik, die, glaube ich, in die erste Klasse zurückreicht, und ich hatte einen großartigen Mathematiklehrer. Ich denke, einen großartigen Lehrer zu haben, der dich wirklich für ein Thema interessiert, ist super, super wichtig.

Als ich dann an die Universität kam, studierte ich Mathematik und Physik und dachte zunächst, ich würde Mathematiker werden, bis ich anfing, etwas über Quantenmechanik zu lernen. Das hat mein Interesse wirklich geweckt. Ich fand die Quantenmechanik einfach faszinierend.

Interviewer: Was war es an der Quantenmechanik, das Sie so überzeugend fanden?

LENE: Es gibt sehr nicht-intuitive Phänomene in der Quantenmechanik, die genauso seltsam sind. Verhält sich die Natur wirklich so? Dann gab es auch, dass ich dieses Interesse an Mathematik hatte und die Tatsache, dass man sehr mathematische Werkzeuge verwenden kann, um herauszufinden, wie hoch die zulässigen Energieniveaus für ein Elektron in einem Wasserstoffatom sind.

Das sieht aus wie reine Mathematik. Kann sich die Natur so verhalten? Dies scheint nicht ganz möglich zu sein, aber es gibt Experimente wie das Betrachten des Spektrums, zum Beispiel das Strahlungsspektrum, die Art von Licht, die Wasserstoff aussendet. Das schien wirklich darauf hinzudeuten, dass an diesen Ideen etwas dran sein musste.

Also, obwohl es wie reine Mathematik schien, schien es, als ob sich die Natur wirklich so verhielt. Und dann gab es diese verrückten, nicht intuitiven Phänomene. Wir wissen zu jedem Zeitpunkt, dass ein Teilchen eine bestimmte Präzision und eine bestimmte Geschwindigkeit hat, aber jetzt fangen wir an, diese Idee zu haben, dass das Teilchen vielleicht dieser wellenartige Lichtstrahl ist und es könnte hier sein oder es könnte tatsächlich auch da sein und es ist tatsächlich irgendwie an beiden Orten zur gleichen Zeit. Das dachte ich war wie, beeindruckend; Das ist ziemlich erstaunlich.

Interviewer: Gibt es eine einfache Möglichkeit zu erklären, wie Sie das Licht stoppen?

LENE: Nun, im Grunde finde ich Licht absolut faszinierend und es gibt nichts, was schneller geht als Licht und Licht reist fast 200.000 Meilen pro Sekunde. Das ist ziemlich umwerfend und es gibt wirklich nichts, was schneller geht als dieses Licht. Wenn Sie anfangen, Licht durch ein Fenster zu senden – ein Stück Glas, Glas hat einen Brechungsindex, und das wird dazu neigen, das Licht nur ein wenig zu verlangsamen.

Die ganze Idee eines Brechungsindex ist die Idee, warum Linsen funktionieren, warum Brillen funktionieren, dass Sie einen Brechungsindex für Materialien haben. In Glas ist es ein bisschen höher als im freien Raum, im Vakuum oder in der Luft. Wenn wir also Licht durch ein Stück Glas senden, wird es eine Reihe von Elektronen und Molekülen geben, aus denen das Glas besteht, und der Lichtstrahl beginnt, diese Elektronen in Schwingungen zu versetzen.

Nun, die Tatsache, dass diese Elektronen in Schwingungen geraten, werden sie selbst ein wenig Licht ausstrahlen, weil sie anfangen, sich wie kleine Antennen zu verhalten. Das Licht, das sie aussenden, addiert sich irgendwie mit dem Licht, das Sie ins Fenster senden, Der Haupteffekt von all dem wird also sein, dass das Licht ein wenig langsamer wird, wenn es durch ein Stück Glas geht, nur um 30 Prozent oder so, nicht sehr viel.

Also haben wir in unserem Labor angefangen, diese Ideen zu bekommen, dass wir vielleicht anfangen können, Licht wirklich langsam zu machen, so langsam, dass man es auf einem Fahrrad schlagen kann. Diese ganze Idee hat mich immer total fasziniert, weil, nochmal, Es gibt nichts, was schneller geht als Licht und wenn man es irgendwie kontrollieren kann, zähme es, in dem Maße, wie man es auf menschlicher Ebene runterholen kann, damit man es auf einem Fahrrad schlagen kann, Ich weiß nur, dass das fantastisch ist.

Interviewer: Stoppen Sie also das Licht, indem Sie den Brechungsindex erhöhen?

LENE: Wenn Sie anfangen, diesen Brechungsindex mehr und mehr anzukurbeln, um das Licht zu verlangsamen, werden Sie im Medium das gesamte Licht vom Medium reflektieren, bevor es überhaupt eintritt. Was Sie auf diese Weise tun werden, ist einfach den besten Spiegel der Welt zu schaffen. Es ist nicht besonders interessant, also müssen wir etwas völlig anderes machen und wir erzeugen eigentlich keinen sehr großen Brechungsindex. Das ist verwirrend für viele Leute, weil sie denken, dass wir das tun.

In Glas verlangsamt man es teilweise ein wenig, weil der Brechungsindex etwas höher ist als im freien Raum, und das bedeutet, dass man das Licht auch vom Medium reflektiert, bevor es überhaupt hineinkommt. Darüber hinaus haben Sie auch Absorption von Licht im Medium und was das bedeutet, ist, dass die Menge an Licht, die tatsächlich in das Medium eintritt, Sie nicht alles auf der anderen Seite herausholen werden, weil ein Teil davon absorbiert wird, verschlungen, durch das Medium.

Die Art und Weise, wie es verschlungen wird, ist, dass es im Medium in Wärme übergeht; Es erwärmt das Glas ein wenig und Sie werden diese Wärme niemals wieder in Licht umwandeln können. Sie werden es nie wieder zu Ihrem Lichtimpuls hinzufügen.

Interviewer: Wie ist es dann möglich, das Licht zu stoppen, ist das nicht eine verrückte Idee?

LENE: Ja. Genau das haben meine Kollegen gesagt. Sie sagten: Bist du nicht verrückt? Im Grunde paraphrasiere ich. Die Sache ist, dass ich anfangs wirklich darauf aus war, ein Kondensat in die Hände zu bekommen, weil dies ein völlig neuer Materiezustand war, von dem erwartet wurde, dass er ein superflüssiger Materiezustand ist. Ich wollte das nur in die Hände bekommen; Ich war neugierig, darauf zu stoßen und zu sehen, wie es reagieren würde. Welche Art von Eigenschaften hat es?

Das Beste, was ich mir vorstellen konnte, war, Licht in dieses Kondensat zu senden und Licht, das besonders dramatisch ist, nämlich Licht, das eine Wellenlänge oder Frequenz hat, die sehr genau abgestimmt ist, so dass es der bestimmten charakteristischen Frequenz der Atome entspricht. Sobald Sie dies erhalten, wird dies als Resonanzbedingung bezeichnet. Sobald Sie diesen Resonanzzustand erreicht haben, erhalten Sie eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Atom und Laserlicht.

Wir kühlen und erzeugen Kondensate aus Natriumatomen und senden ein Laserlicht mit einer Wellenlänge ein, so dass das Licht gelb ist, also ungefähr 589 Nanometer, also ist es eine Art gelbes Licht wie von den Natriumstraßenlampen. Diese Wellenlänge entspricht genau der charakteristischen Frequenz der Natriumatome. So absorbiert Natrium beispielsweise viel Licht, wenn wir Licht mit dieser bestimmten Frequenz oder Wellenlänge dieses gelben Lichts einsenden.

Das Senden von Resonanzlicht in ein Kondensat ist also besonders gefährlich, aber auch besonders interessant, weil Sie eine sehr starke Wechselwirkung erhalten. Zum Beispiel absorbieren Natriumphotonen Licht aus diesem Strahl sehr effizient, aber das ist genau die gefährliche Situation, in der man sich befindet, denn hier haben Sie diese supergekühlten Atome, und wenn das Atom in dieser Atomwolke nur ein einzelnes Photon absorbiert, reicht das aus, dass das Atom aus dieser Einzelphotonenabsorption einen kleinen Tritt bekommt und dann im Grunde genommen direkt aus der Atomwolke, aus dem Kondensat, geworfen wird und wir es einfach verlieren. Tatsächlich wird dieses Atom auf seinem Weg nach draußen anfangen, in die anderen Atome zu schlagen und tatsächlich das ganze Ding zu erhitzen und das ganze Kondensat wird im Grunde genommen verdampfen.

Wenn Sie anfangen, das resonante Laserlicht in ein Kondensat zu senden, sollten Sie das Kondensat einfach auseinanderblasen. Deshalb sagten meine Kollegen: „Du bist verrückt. Das ist zu gefährlich.“ Die Sache ist, weil Sie diese sehr dramatische Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht erhalten, haben Sie auch eine enorme Empfindlichkeit in Bezug auf die Untersuchung dieser Kondensate, und das war es, wonach ich gesucht habe und das wirklich verstanden habe, weil es wirklich eine Philosophie ist.

Wenn Sie etwas untersuchen möchten, untersuchen Sie es so hart wie möglich, ohne dass es völlig auseinanderbläst. Also, nicht ding es ein wenig; ding es viel und dann irgendwie sehen, was passiert.

Interviewer: Wenn Ihre Kollegen also nicht dachten, dass es funktionieren würde, warum dachten Sie, dass es funktionieren würde?

LENE: Ich dachte, es würde funktionieren, denn wenn Sie die Parameter richtig steuern, können Sie diese sehr dramatische Interaktion verwenden, um die Eigenschaften sehr, sehr sensibel zu untersuchen.

Es war irgendwie in diesem Prozess des Versuchs, Kondensate mit diesem resonanten Laserstrahl zu untersuchen, dass wir zu realisieren begannen, gee, was ist, wenn Sie nicht einen, sondern zwei genau abgestimmte Laserstrahlen mit den genauen Lichteigenschaften haben, die im rechten Winkel mit den richtigen Wellenlängen und all dem eintreffen? Wenn Sie zwei davon haben, können diese beiden zusammen den Atomen die richtigen Dinge antun, so dass Sie tatsächlich in der Lage sind, das Licht auf Fahrradgeschwindigkeit zu verlangsamen.

Ich meine natürlich, es ist eine Sache, die Idee zu haben, dass etwas funktionieren sollte, aber es war eine ganz andere Sache, es tatsächlich im Labor zum Laufen zu bringen. Du hast dich auf den Weg gemacht und es so eingerichtet, wie du denkst, dass es funktionieren sollte, aber wow, es hat nicht ganz so funktioniert, wie es sollte. Was könnte hier möglicherweise falsch sein?

Wenn die Dinge nicht funktionierten, musste man wirklich die ganze Zeit darüber nachdenken, was sollte ich hier ändern? Was ist los? Es war so intensiv. Ich bin fast mit meinen Klamotten in die Dusche gegangen, weil wir die ganze Zeit nur darüber nachgedacht haben.

Interviewer: Aber du hast nicht aufgegeben. Was geschah als nächstes?

LENE: Dann fingen wir schließlich an, ein wenig langsamer zu werden. Natürlich ist das wie mitten in der Nacht, wie 4:00 Uhr oder so, und du schaust unter dein Teleskop und fängst an, Lichtimpulse zu messen, die scheinbar ein wenig langsamer geworden sind. Aber dann werden wir natürlich nervös. Hat einer von uns den Knopf am Oszilloskop angestoßen? Vielleicht ist es ein Artefakt. Also mussten wir ein Kontrollexperiment machen, das heißt, wir mussten die Atome wieder in das System laden und sie abkühlen und ein Kondensat bilden und dann einen weiteren Lichtimpuls einsenden und versuchen zu sehen, ob es langsamer wird.

Dieser ganze Prozess dauerte ungefähr zwei Minuten, aber es waren die längsten zwei Minuten in meinem Leben, denke ich. Dann haben wir das schließlich ein zweites Mal gemessen und es wurde sicher verlangsamt. Das war wirklich aufregend. Es war nur ein bisschen Verlangsamung, aber es war wie „Ich denke, wir haben hier etwas.“ Und dann ging es darum, einfach weiter zu pushen und dann haben wir es auf Flugzeuggeschwindigkeit gebracht und dann, das war im Sommer ’98, und an diesem Punkt musste ich plötzlich nach Kopenhagen gehen, um eine Meisterklasse zu unterrichten.

Ich wollte nicht gehen, aber ich hatte versprochen, diese Klasse zu unterrichten, also musste ich gehen. Ich erinnere mich, dass ich im Flugzeug von Boston nach Kopenhagen gestartet bin und der Geschwindigkeit des Flugzeugs auf der großen Leinwand dort gefolgt bin und gedacht habe oh, wow; Jetzt gehen wir schneller als mein Lichtimpuls im Labor. Ich rechnete damit, dass ich, wenn ich einen Lichtimpuls von Boston aus gesendet hätte, als ich im Flugzeug abflog, eine Stunde vor meinem Lichtimpuls in Kopenhagen ankommen würde.

Also war ich im Grunde eine Woche in Kopenhagen und eilte dann zurück nach Cambridge, um mit den Experimenten fortzufahren. Dann, ungefähr ein oder zwei Monate später, fingen wir an, das Licht auf Fahrradgeschwindigkeit zu verlangsamen. Ich erinnere mich an diese Nacht. Das war wieder mitten in der Nacht, und Sie saßen einfach da und Sie sind nur die erste Person in der Geschichte, die in diesem Regime der Natur ist und sieht, wie das Licht so langsam geht. Es war wirklich erstaunlich und ein erstaunliches Gefühl und irgendwie all die harte Arbeit wert, die vorher gegangen war.

Interviewer: Können Sie das Stoppen des Lichts im BEC genauer erklären?

LENE: Das Bremslicht kam nach dem langsamen Licht, ja. Wir verlangsamen also das Licht um den Faktor 10100.000.000. Wir reden nicht wie 30 Prozent in einem Fenster; es ist ein Faktor von 10100.000.000. Also, von 200.000 Meilen pro Sekunde gehen wir auf 15 Meilen pro Stunde runter und das ist die Art von Verlangsamung.

Was passiert ist, dass zusammen mit der Verlangsamung der Lichtimpuls auch räumlich um den gleichen Faktor komprimiert wird, wie er verlangsamt. So, jetzt haben wir eine winzig kleine Wolke kalter Luft, die auf ein paar Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Es ist wirklich, wirklich kalt, und die Wolke ist wirklich nur 0,1 Millimeter groß, also ist es eine ziemlich kleine Wolke, die wir in der Vakuumkammer halten.

Dann senden wir den Lichtimpuls hinein und der Lichtimpuls ist ungefähr eine Meile lang, wenn er im freien Raum beginnt, und dann beginnen wir, ihn in unsere Atomwolke zu senden. Was passiert, ist, dass die Vorderkante langsamer wird, weil sie jetzt in die Atomwolke eintritt, aber die Hinterkante ist immer noch im freien Raum, also ist der Schwanz hier draußen, und das wird mit der normalen Lichtgeschwindigkeit weitergehen. Jetzt fängt die hintere Kante an, die vordere Kante einzuholen, sodass dieser Lichtimpuls wie ein kleines Konzert komprimiert wird.

Wie gesagt, es komprimiert sich um den gleichen Faktor, wie wir es verlangsamen, so dass von einer Meile auf 0,02 Millimeter weniger als eine halbe Dicke eines Haares ist; So klein ist der Lichtimpuls am Ende. An diesem Punkt passt es vollständig in die Atomwolke, obwohl die Atomwolke kleiner ist, wird der Lichtimpuls noch kleiner, so dass er hineinpasst. Wenn wir es dann einfach ausbreiten lassen, wird es sich sehr, sehr langsam mit hoher Geschwindigkeit durch die Atomwolke ausbreiten und schließlich auf der anderen Seite herauskommen.

An diesem Punkt beginnt der Lichtimpuls auszutreten. Die Vorderkante hebt ab, es beschleunigt wieder ab und der Lichtimpuls dehnt sich aus und endet mit genau der gleichen Länge, mit der er beginnen musste, ungefähr eine Meile. Dann bewegt es sich schließlich weiter, beschleunigt wieder nach oben und bewegt sich mit der normalen hohen Lichtgeschwindigkeit weiter, aber sobald Sie es verlangsamt und komprimiert und in der Atomwolke enthalten haben, macht der Lichtimpuls tatsächlich einen kleinen Abdruck, wie ein kleiner holographischer Abdruck in der Atomwolke.

Es verändert also tatsächlich den inneren Zustand der Atome im Kondensat, wenn sie diesen Abdruck bilden. Dieser Abdruck folgt entlang der Lichtimpulse, während er sich langsam durch die Atomwolke ausbreitet, und jetzt, wenn wir Lust dazu haben, können wir diesen Lichtimpuls tatsächlich vollständig stoppen, weil er vollständig in der Atomwolke enthalten ist, und wir können ihn einfach vollständig stoppen, den Lichtimpuls ausschalten und dann einfach an dem holographischen Abdruck festhalten. Dann können wir diesen Abdruck in der Atomwolke einfrieren und später entscheiden, dieses Hologramm wieder in Licht umzuwandeln. Wir beleben den Lichtimpuls wieder und senden ihn weiter, als wäre nichts passiert.

Interviewer: Was motiviert derzeit Ihre Forschung?

LENE: Nun, was unsere Forschung jetzt wirklich motiviert, ist, dass wir diese Methode gefunden haben, mit der wir Licht vollständig in Materie und zurück in Licht umwandeln können, ohne Informationsverlust. Wir haben also einen Lichtimpuls; Wir können eine perfekte Kopie dieses Lichtimpulses mit genau den gleichen Eigenschaften und der gleichen Form, dem gleichen Informationsgehalt erstellen, und es gibt keinen anderen Weg, wie Sie das tun können.

Was wir jetzt in Zukunft tun können, ist, dass wir anfangen können, zum Beispiel Quantennetzwerke zu schaffen. Es ist eine Art quantenmechanisches Analogon der Information, der optischen Kommunikation, des Glasfasernetzes, das wir heute kennen, wo wir gerne Daten in optischen Fasern, hohen Datenwellen und all dem senden und auf unsere Computer herunterladen. Aber es gibt eine ganz andere Art, das zu tun, wo wir anfangen können, Quantenzustände von Licht in optischen Fasern herumzusenden.

Zu diesem Zweck funktioniert Licht hervorragend. Sie können Informationen in Licht kodieren und in optische Informationen senden. Es ist großartig für den Transport, aber das Problem ist, wenn Sie optische Informationen steuern möchten, wenn Sie die Informationen tatsächlich ändern oder manipulieren oder verarbeiten möchten und bestimmen möchten, wohin ich diese Informationen leiten soll, all dies erfordert die Kontrolle des Lichts und das ist der Quantenzustand des Lichts.

Deshalb wollt ihr Licht nehmen und es in Materieform verwandeln, weil ihr es in der Materieform extrem kraftvoll manipulieren könnt, was ihr nicht tun könnt, solange es in Lichtform ist. Dann können Sie es in materieller Form unglaublich kraftvoll manipulieren, und wenn Sie fertig sind, verwandeln Sie es wieder in Licht und senden es über eine andere optische Faser. Diese Art von Möglichkeiten sind also äußerst aufregend und eröffnen eine ganze Reihe von Möglichkeiten.

Interviewer: Licht wird derzeit zum Kopieren und Verschieben von Daten verwendet. Wie wird sich die quantenmechanische Lichtmanipulation davon unterscheiden?

LENE: Also, im Grunde, was Sie tun, wenn Sie normalerweise Lichtimpulse über eine optische Faser senden, ist, dass sie zu einem Router kommen und Sie können dann die optischen Informationen in elektronische Signale umwandeln. Das Problem ist, wenn Sie das tun, verlieren Sie einen großen Teil der Informationen. Sie können nicht alle Informationen, die im Lichtimpuls enthalten sind, in elektronische Signale umwandeln, aber mit den von uns entwickelten Methoden können Sie den Lichtimpuls nehmen und alle Informationen in Materie umwandeln.

Es gibt also absolut keinen Informationsverlust? Die Amplitude, Phase; Statistik: wie viele Photonen habe ich im Lichtimpuls und quantenmechanisch habe ich vielleicht keine genaue Anzahl von Photonen. Ich könnte 1.000 haben und dann zur gleichen Zeit habe ich tatsächlich 1.001 und 1.002 alle zur gleichen Zeit. Diese Statistik, wie wir sie nennen, bleibt erhalten, wenn wir sie in Materie verwandeln. Dann können wir es in Materieform manipulieren und dann wieder in Licht umwandeln, damit wir alle Informationen erhalten. Wir verlieren nichts und es gibt einfach keine andere Möglichkeit, dies zu tun, da die Methoden, die wir heute verwenden, einen großen Teil der Informationen verlieren.

Interviewer: Was ist der Unterschied in Bezug auf die Skalierung zwischen Ihrem Router, dem Bose-Einstein-Kondensat-Router und einem elektronischen Router?

LENE: Man kann sagen, im Moment haben wir einen Raum voller Optiken und es ist nicht gerade ein praktisches System, aber das ist die Art von Dingen, die, wenn man in ein neues Regime übergeht, so beginnt alles, ein großes Prototypensystem. Und natürlich, was dann vielleicht passieren würde, ist, dass Sie sagen würden, nun, ich kann dies für eine bestimmte Anwendung verwenden.

Könnten wir ein viel praktischeres System entwickeln, das genau das kann? Dann würden Sie sagen, gut, ja, vielleicht können wir. Dann würden Sie sagen, auf welche Eigenschaften sollten wir uns konzentrieren, welche sollten wir optimieren? Dann würden Sie versuchen, ein praktisches System um diese Designkriterien herum zu erstellen. Das könnte so etwas wie die Implementierung des Experiments sein, das wir mit kleinen Nanostrukturen wie bei Raumtemperatur integrierten Chipstrukturen haben. Das ist sicherlich eine spannende Möglichkeit.

Interviewer: Sie versuchen also, Informationen zu berechnen, ohne die quantenmechanische Verrücktheit zu zerstören?

LENE: Ja! Das ist richtig, genau. Man könnte sagen, wir versuchen, einen Computer zu bauen. Woraus besteht ein Computer? Ein Computer besteht aus zwei Hauptbestandteilen. Es hat einen Speicher und es hat einen Prozessor. Wir müssen also in der Lage sein, die optischen Informationen zu speichern und festzuhalten, ohne sie zu zerstören, und gleichzeitig müssen wir in der Lage sein, sie kontrolliert zu verarbeiten und zu verändern.

Wir wollen beides und mit diesen neuesten Ergebnissen, bei denen wir Licht in eine Materiekopie verwandeln und dann beginnen können, die Materiekopie zu verändern und sie dann wieder in Licht umzuwandeln, können wir einen Prozess optischer Information erzeugen, bei dem wir keine der Quanteninformationen in den Lichtimpulsen zerstören. Wir bewahren sie in ihrer Materieform auf und verarbeiten sie dann und verwandeln sie dann wieder in Licht.

Interviewer: Wo stehen wir, wenn es um Bose-Einstein-Kondensate und Lichtmanipulation geht? Stehen wir ganz am Anfang?

LENE: Ja. Ich denke, wir haben nur die Spitze des Eisbergs gesehen, denn was wirklich aufregend ist, ist, dass Sie zum ersten Mal Licht haben, das Sie ohne Informationsverlust in Materieform verwandeln können. Licht ist fantastisch, um Informationen zu kodieren und zu transportieren. Aber sobald Sie die Lichtinformation haben, die Sie in Materieform umwandeln, haben Sie extrem leistungsfähige Verarbeitungsmethoden.

Dann können Sie anfangen, die Informationen zu manipulieren, zu verarbeiten, und wenn Sie mit der Verarbeitung fertig sind, verwandeln Sie sie wieder in Licht. Das ist ein extrem leistungsfähiges Setup und absolut einzigartig. Es gibt keinen anderen Weg, wie man Licht in Materie und wieder in Licht verwandeln und die Verarbeitung dazwischen durchführen und das Ganze in klassischen Lichtzuständen, Quantenzuständen des Lichts, durchführen kann. Es ist extrem mächtig.

Dies ist ein völlig neues System, in dem wir einige absolut neue Paradigmen haben, die wir verfolgen können. Wir stehen erst am Anfang dieser, denke ich, sehr aufregenden Reihe von Möglichkeiten in diesem ganz neuen Bereich.