kérdező: hogyan kezdett érdeklődni a fizika iránt?

LENE: Nos, azt hiszem, az első érdeklődésem bizonyos értelemben a matematika volt, azt hiszem, az első osztályig nyúlik vissza, és volt egy fantasztikus matektanárom. Azt hiszem, szuper, szuper fontos, hogy van egy nagyszerű tanár, aki valóban érdekli a tantárgyat.

aztán, amikor beléptem az egyetemre, végül matematikát és fizikát tanultam, és kezdetben tanulmányaimban azt hittem, matematikus leszek, amíg el nem kezdtem tanulni a kvantummechanikáról. Ez tényleg megváltoztatta az érdeklődésemet. Azt hittem, a kvantummechanika egyszerűen lenyűgöző.

kérdező: mi volt az a kvantummechanika, amit annyira lenyűgözőnek találtál?

LENE: nagyon nem intuitív jelenségek vannak a kvantummechanikában, amelyek furcsaak. Tényleg így viselkedik a természet? Aztán ott volt az is, hogy érdeklődtem a matematika iránt, és az a tény, hogy nagyon matematikai eszközöket lehet használni, hogy kitaláljuk, mi a megengedett energiaszint egy elektron számára egy hidrogénatomban, például.

ez tiszta matematikának tűnik. Lehet-e a természet ilyen módon viselkedni? Ez nem tűnik teljesen lehetségesnek, de vannak olyan kísérletek, mint például a spektrum vizsgálata, például a sugárzási spektrum, az a fajta fény, amelyet a hidrogén bocsát ki. Ez valóban azt jelezte, hogy valaminek lennie kell ezekben az ötletekben.

tehát, bár tiszta matematikának tűnt, úgy tűnt, hogy a természet valóban így viselkedik. Aztán ott voltak ezek az őrült, nem intuitív jelenségek. Tudjuk, hogy minden egyes időpontban egy részecskének különleges pontossága és sebessége van, de most elkezdtük azt gondolni, hogy talán a részecske egy hullámszerű fénysugár, és lehet, hogy itt van, vagy valójában ott is lehet, és valójában mindkét hely egyszerre. Hogy azt hittem, mint, wow; ez elég csodálatos.

kérdező: van-e egyszerű módja annak, hogy elmagyarázza, hogyan állítja meg a fényt?

LENE: nos, alapvetően a fényt teljesen lenyűgözőnek találom, és semmi sem megy gyorsabban, mint a fény, és a fény másodpercenként majdnem 200 000 mérföldet utazik. Ez elég észbontó, és tényleg semmi sem megy gyorsabban a fénynél. Ha elkezdesz fényt küldeni egy ablakon keresztül—egy üvegdarab, az üveg törésmutatója van, és ez hajlamos egy kicsit lelassítani a fényt.

a törésmutató teljes gondolata az a gondolat, hogy miért működnek a lencsék, miért működnek a szemüvegek, hogy van törésmutatója az anyagokhoz. Az üvegben egy kicsit magasabb, mint a szabad térben, vákuumban vagy levegőben. Tehát alapvetően az történik, hogy amikor fényt küldünk egy üvegdarabon keresztül, egy csomó elektron és molekula jön létre az üveg alkotásakor, és amit a fénysugár csinál, az az, hogy elkezdi ezeket az elektronokat rezgésekbe juttatni.

Nos, az a tény, hogy ezek az elektronok rezgésbe kerülnek, maguk is kisugároznak egy kis fényt, mert kis antennákként kezdenek viselkedni. A fény, amit kibocsátanak, összeadódik azzal a fénnyel, amit az ablakba küldünk, így mindennek a fő hatása az lesz, hogy a fény egy kicsit lelassul, amikor átmegy egy üvegdarabon, kb. 30% – kal, nem túl sokat.

tehát a laborunkban elkezdtük ezeket az ötleteket, hogy talán elkezdhetjük a fényt nagyon lassan menni, olyan lassan, hogy kerékpárral legyőzhetjük. Ez az egész ötlet mindig is teljesen lenyűgözött, mert, ismét, semmi sem megy gyorsabban, mint a fény, és ha valahogy irányítani tudod, megszelídíteni, olyan mértékben, hogy emberi léptékben le tudod állítani, hogy kerékpárral legyőzhesd, csak hogy ez fantasztikus.

kérdező: tehát megállítja a fényt a törésmutató növelésével?

LENE: ha elkezdi forgatni ezt a törésmutatót egyre jobban, hogy lelassítsa a fényt, akkor a közegben az fog történni, hogy az összes fényt visszaveri a közegről, még mielőtt az belépne. Amit így fog tenni, az csak a világ legjobb tükörének létrehozása. Ez nem különösebben érdekes, tehát valami teljesen mást kell tennünk, és valójában nem hozunk létre egy nagyon nagy törésmutatót. Ez sok ember számára zavaró, mert azt hiszik, hogy ezt csináljuk.

üvegben részben lelassítjuk egy kicsit, mert a törésmutató egy kicsit magasabb, mint a szabad térben, és ez azt jelenti, hogy visszaverjük a fényt a közegről, mielőtt még bejutna oda. Ráadásul a közegben fényelnyelés is van, és ez azt jelenti, hogy az a fénymennyiség, amely ténylegesen belép a közegbe, nem fog mindent kijutni a másik oldalon, mert annak egy részét a közeg elnyeli, felfalja.

úgy zabálják fel, hogy a közegben hővé válik; egy kicsit felmelegíti az üveget, és soha nem fogja ezt a hőt fénnyé változtatni. Soha többé nem adod hozzá a fényimpulzusodhoz.

kérdező: akkor hogyan lehet megállítani a fényt, nem őrült ötlet?

LENE: Igen. Pontosan ezt mondták a kollégáim is. Azt mondták, nem vagy őrült? Alapvetően, átfogalmazom. A helyzet az, hogy kezdetben nagyon meghaltam, hogy kezembe vegyek egy kondenzátumot, mert ez egy teljesen új anyagállapot volt, amely várhatóan az anyag szuperfolyékony állapota lesz. Csak rá akartam tenni a kezem erre; kíváncsi voltam, hogy elkezdjem piszkálni, és látni, hogyan reagál. Milyen tulajdonságokkal rendelkezik?

a legjobb, amit el tudtam képzelni, az volt, hogy fényt küldjek ebbe a kondenzátumba, és olyan fényt, amelyet különösen drámai módon lehet beküldeni, nevezetesen olyan fényt, amelynek hullámhossza vagy frekvenciája nagyon pontosan úgy van beállítva, hogy megfeleljen az atomok sajátos jellemző frekvenciájának. Ha ezt megkapod, rezonancia állapotnak hívják. Amint megkapod ezt a rezonancia állapotot, nagyon erős kölcsönhatást kapsz az atom és a lézerfény között.

lehűtjük és kondenzátumokat hozunk létre nátrium atomokból, és lézerfényt küldünk be olyan hullámhosszon, hogy a fény sárga legyen, tehát nagyjából 589 nanométer, tehát ez egyfajta sárga fény, mint a nátrium utcai lámpákból. Ez a hullámhossz olyan, hogy pontosan megegyezik a nátriumatomok jellemző frekvenciájával. Így például a nátrium sok fényt fog elnyelni, ha a sárga fény adott frekvenciájával vagy hullámhosszával fényt küldünk be.

tehát rezonáns fényt küldeni egy kondenzátumba, ez különösen veszélyes, de különösen érdekes, mert nagyon erős kölcsönhatást fog kapni. Például a nátrium-fotonok nagyon hatékonyan nyelik el a fényt ebből a sugárból, de pontosan ez a veszélyes helyzet, mert itt vannak ezek a szuperhűtött atomok, és ha az atom abban az atomfelhőben csak egyetlen fotont nyelt el, az elég ahhoz, hogy ebből az egyetlen foton abszorpcióból az atom egy kis rúgást kapjon, majd alapvetően kirúgják az atomfelhőből, a kondenzátumból, és csak elveszítjük. Valójában kifelé menet az atom nekiütközik a többi atomnak, és felmelegíti az egészet, és az egész kondenzátum lényegében elpárolog.

ha elkezdi a rezonáns lézerfényt kondenzátumba küldeni, akkor csak szét kell fújnia a kondenzátumot. Ezért mondták a kollégáim: “őrült vagy. Ez túl veszélyes.”Az a helyzet, hogy az atomok és a lézerfény közötti nagyon drámai kölcsönhatásnak köszönhetően óriási érzékenységgel rendelkezünk a kondenzátumok vizsgálata terén is, és ez az, amit kerestem, és tényleg megkaptam ezt, mert ez tényleg egy filozófia.

ha azt szeretnénk, hogy a szonda valamit, szonda, amilyen keményen csak lehet anélkül, hogy teljesen fúj szét. Így, ne ding egy kicsit; ding sokat, majd a fajta, hogy mi történik.

kérdező: tehát ha a kollégái nem gondolták, hogy működni fog, miért gondolta, hogy működni fog?

len: Azt hittem, hogy működni fog, mert ha a paramétereket megfelelően szabályozzuk, akkor ezt a nagyon drámai interakciót nagyon, nagyon érzékenyen megvizsgálhatjuk a tulajdonságokat.

ebben a folyamatban próbáltuk megvizsgálni a kondenzátumokat ezzel a rezonáns lézersugárral, amit elkezdtünk felismerni, jé, mi van, ha nem egy, hanem két pontosan hangolt lézersugár van, amelyek pontos fénytulajdonságokkal érkeznek a derékszögben, a megfelelő hullámhosszon, meg minden? Ha van két ilyen, ez a két fajta együtt nem a megfelelő dolgokat, hogy az atomok, hogy valóban képes lehet lassítani fény le a kerékpár sebességét.

úgy értem, persze ez egy dolog, hogy az ötlet, hogy valami működnie kell, de ez egy teljesen más dolog, hogy valóban, hogy ez a munka a laborban. Úgy állítottad be, ahogy gondolod, hogy működnie kellene, de, wow, nem egészen úgy működött, ahogy kellett volna. Mi lehet itt a baj?

amikor a dolgok nem működtek, tényleg állandóan azon kellett gondolkodnod, hogy mit változtassak itt? Mi folyik itt? Olyan intenzív volt. Majdnem bementem a zuhany alá a ruháimmal, mert egész idő alatt csak erre gondoltunk.

kérdező: de nem adtad fel. Mi történt ezután?

LENE: aztán végül elkezdtünk egy kis lassulást látni. Természetesen, ez olyan, mint az éjszaka közepén, mint 4:00 – kor vagy valami ilyesmi, és a távcső alá nézünk, és elkezdjük mérni a fényimpulzusokat, úgy tűnik, hogy egy kicsit lelassultak. De aztán természetesen idegesek leszünk. Valamelyikünk megnyomta a gombot az oszcilloszkópon? Talán egy ereklye. Tehát kontrollkísérletet kellett végeznünk, ami azt jelenti, hogy újra be kellett töltenünk az atomokat a rendszerbe, lehűteni őket, kondenzátumot képezni, majd újabb fényimpulzust küldeni, és megpróbálni megnézni, hogy lelassult-e.

ez az egész folyamat nagyjából két percet vett igénybe, de azt hiszem, ez volt életem leghosszabb két perce. Aztán végül másodszor is megmértük, és biztos, hogy lelassult. Ez nagyon izgalmas volt. Csak egy kis lassulás volt, de olyan volt, mint “azt hiszem, van itt valami.”Aztán az volt a kérdés, hogy tovább kell-e nyomni, aztán leértünk a repülőgép sebességére, majd ez ’98 nyarán történt, és ekkor hirtelen Koppenhágába kellett mennem, hogy mesterkurzust tartsak.

nem akartam menni, de megígértem, hogy tanítom azt az osztályt, így mennem kellett. Emlékszem, hogy felszálltam a Bostonból Koppenhágába tartó repülőgépen, és követtem a repülőgép sebességét a nagy képernyőn, és arra gondoltam, hogy Ó, wow; most gyorsabban haladunk, mint a fényimpulzusom a laborban. Kiszámoltam, ha egy fényimpulzust küldtem volna Bostonból, amikor a repülőgépen indultam, egy órával a fényimpulzusom előtt Érkeznék Koppenhágába.

tehát alapvetően Koppenhágában voltam egy hétig, majd visszarohantam Cambridge-be, hogy folytassam a kísérleteket. Azután, nagyjából egy-két hónappal később elkezdtük lassítani a fényt a kerékpár sebességére. Emlékszem arra az éjszakára. Ez megint az éjszaka közepén történt, és te csak ültél ott, és te vagy az első ember a történelemben, aki ebben a természeti rendszerben látta, hogy a fény ilyen lassan megy. Nagyon csodálatos volt, és csodálatos érzés volt, és megérte azt a kemény munkát, ami azelőtt ment.

kérdező: részletesebben meg tudja magyarázni a fény megállását a BEC-ben?

LENE: a féklámpa a lassú fény után jött, igen. Tehát 10100,000,000 faktorral lassítjuk a fényt. Nem úgy beszélünk, mint 30 százalék egy ablakban; ez 10100,000,000 tényező. Tehát 200.000 mérföld / másodpercről 15 mérföld / órára megyünk le, és ez egyfajta lassulás.

az történik, hogy a lassítással együtt a fényimpulzus térben is ugyanolyan tényezővel tömörül, mint lelassul. Tehát most van egy ici-pici hideg levegőfelhőnk, amely néhány milliárd fokkal az abszolút nulla fölé hűl. Nagyon, nagyon hideg van, és a felhő valójában csak 0,1 milliméter nagyságú, tehát ez egy elég kicsi felhő, amelyet a vákuumkamrában tartunk.

ezután elküldjük a fényimpulzust, és a fényimpulzus körülbelül egy mérföld hosszú, amikor a szabad térben kezdődik, majd elkezdjük elküldeni az atomfelhőbe. Az történik, hogy az elülső él lelassul, mert most kezd belépni az atomfelhőbe, de a hátsó él még mindig a szabad térben van, így a farok itt van, és ez a normál fénysebességgel megy tovább. Tehát most a hátsó él elkezd felzárkózni az elülső élhez, így megkapja ezt a fényimpulzust, hogy összenyomódjon, mint egy kis összehangolás.

mint mondtam, ugyanazzal a tényezővel összenyomva, mint ahogy lassítjuk, így egy mérföldről 0,02 milliméterre kevesebb, mint fél hajvastagság; így kicsi a fényimpulzus. Ezen a ponton teljesen illeszkedik az atomfelhőbe, annak ellenére, hogy az atomfelhő kisebb, a fényimpulzus végül még kisebb lesz, így belefér. Ha hagyjuk, hogy továbbterjedjen, akkor nagyon-nagyon lassan, biciklis sebességgel fog terjedni az atomfelhőn keresztül, és végül a túloldalon kezd el kijönni.

ezen a ponton a fényimpulzus elkezd kilépni. Az elülső él felszáll, felgyorsul, és a fényimpulzus kinyúlik, és pontosan ugyanolyan hosszú lesz, mint kellett, körülbelül egy mérföld. Aztán végül továbbmegy, felgyorsul és továbbmegy a normál nagy fénysebességgel, de ha egyszer lelassult, összenyomódott és az atomfelhőbe került, akkor a fényimpulzus valójában egy kis lenyomatot hoz létre, mint egy kis holografikus lenyomat az atomfelhőben.

tehát valójában megváltoztatja a kondenzátumban lévő atomok belső állapotát, amikor ezt a lenyomatot alkotják. Ez a lenyomat követi a fényimpulzusokat, ahogy lassan terjed az atomfelhőn keresztül, és most, amikor úgy érezzük, hogy teljesen megállíthatjuk ezt a fényimpulzust, mert teljesen benne van az atomfelhőben, és valójában teljesen megállíthatjuk, kikapcsolhatjuk a fényimpulzust, majd csak ragaszkodhatunk a holografikus lenyomathoz. Aztán lefagyaszthatjuk ezt a lenyomatot az atomfelhőben, majd később eldönthetjük, hogy a hologramot fénnyé változtatjuk. Felélesztjük a fényimpulzust, és úgy küldjük be, mintha mi sem történt volna.

kérdező: Mi motiválja jelenleg a kutatását?

LENE: nos, alapvetően ami igazán motiválja a kutatásunkat, az az, hogy megtaláltuk ezt a módszert, amellyel teljesen átalakíthatjuk a fényt anyaggá és vissza a fénybe információvesztés nélkül. Tehát van egy fényimpulzusunk; létrehozhatunk egy tökéletes anyagmásolatot ennek a fényimpulzusnak, pontosan ugyanazokkal a tulajdonságokkal, ugyanolyan formával, azonos információtartalommal, és nincs más mód, amellyel ezt megtehetnénk.

ami lehetővé teszi számunkra, hogy most előre haladjunk, elkezdhetjük létrehozni az úgynevezett kvantumhálózatokat. Ez egyfajta kvantummechanikai analógja az információnak, az optikai kommunikációnak, a száloptikai hálózatnak, amit ma ismerünk, ahol imádunk adatokat küldeni optikai szálakban, magas adathullámokban és mindezekben, és letölteni a számítógépeinkre. De van egy teljesen más módja ennek, ahol elkezdhetjük küldeni a fény kvantumállapotait az optikai szálakban.

erre a célra a fény nagyszerűen működik. Az információkat fényben kódolhatja, és optikai információként küldheti ki. Ez nagyszerű a szállításhoz, de a probléma az, hogy ha irányítani akarjuk az optikai információt, ha valóban meg akarjuk változtatni az információt, vagy manipulálni akarjuk, vagy fel akarjuk dolgozni, és meg akarjuk határozni, hogy hova irányítsam ezeket az információkat, mindez megköveteli a fény irányítását, és ez a fény kvantum állapota.

ezért akarod a fényt anyagformává változtatni, mert az anyagformában rendkívül erőteljesen manipulálhatod, amit nem tudsz megtenni, amíg fényformában van. Aztán anyag formájában hihetetlenül erőteljesen manipulálhatod, majd ha kész vagy, visszaforgatod fénnyé, és egy másik optikai szálat küldesz le. Tehát ezek a lehetőségek rendkívül izgalmasak, és ezek a lehetőségek egy egész birodalmát nyitják meg.

kérdező: a fényt jelenleg használják az adatok másolására és mozgatására. Miben különbözik ettől a kvantummechanikai fénymanipuláció?

len: Tehát alapvetően, amikor általában fényimpulzusokat küldünk egy optikai szálon, az az, hogy egy útválasztóhoz érkeznek, és az optikai információkat elektronikus jelekké változtathatjuk. A probléma az, amikor ezt megteszi, elveszíti az információk nagy részét. A fényimpulzusban lévő összes információt nem lehet elektronikus jelekké alakítani, de az általunk kifejlesztett módszerekkel a fényimpulzust átvehetjük, és az összes információt anyaggá alakíthatjuk.

tehát egyáltalán nincs információvesztés? Az amplitúdó, fázis; statisztika: hány fotonom van a fényimpulzusban és kvantummechanikában, lehet, hogy valójában nincs pontos fotonszámom. Lehet, hogy van 1000-em, és ugyanabban az időben van 1001 és 1002 is egyszerre. Ez a statisztika, ahogy mi hívjuk, megmarad, amikor anyaggá változtatjuk. Aztán manipulálhatjuk anyag formájában, majd visszaváltoztathatjuk fénnyé, hogy megőrizzük az összes információt. Nem veszítünk el semmit, és egyszerűen nincs más módja annak, hogy ezt megtegyük, mert a ma alkalmazott módszerek elveszítik az információ nagy részét.

kérdező: Mi a különbség az útválasztó, a Bose-Einstein kondenzátum útválasztó és az elektronikus útválasztó között?

LENE: mondhatjuk, hogy jelenleg van egy szobányi optikánk, és ez nem igazán praktikus rendszer, de ez az a fajta dolog, hogy ha egy új rendszerbe lépünk, akkor minden így kezdődik, egy nagy prototípus rendszer. És persze, akkor talán az történne, hogy azt mondanád, hogy jól tudom használni ezt egy adott alkalmazáshoz.

készíthetünk-e egy sokkal praktikusabb rendszert, amely pontosan ezt képes megtenni? Akkor azt mondanád, hogy Nos, igen, talán tudunk. Akkor azt mondanád, hogy mely tulajdonságokra összpontosítsunk, melyiket optimalizáljuk? Akkor megpróbálna egy gyakorlati rendszert létrehozni a tervezési kritériumok ezen halmaza körül. Ez olyasmi lehet, mint a kísérlet végrehajtása kis nanoszerkezetekkel, például szobahőmérsékletű chip integrált szerkezetekkel. Ez minden bizonnyal izgalmas lehetőség.

kérdező: tehát megpróbálsz információt kiszámítani anélkül, hogy megsemmisítenéd a kvantummechanikai furcsaságokat?

LENE: Igen! Pontosan így van. Mondhatnánk, hogy egy számítógépet akarunk létrehozni. Miből áll a számítógép? A számítógép két fő összetevőből áll. Van memóriája és processzora. Tehát képesnek kell lennünk tárolni és megtartani az optikai információt anélkül, hogy bármilyen információt megsemmisítenénk, ugyanakkor képesnek kell lennünk arra, hogy ellenőrzött módon feldolgozzuk és megváltoztassuk.

mindkettőt meg akarjuk csinálni, és ezekkel a legújabb eredményekkel, amikor a fényt anyagmásolattá változtatjuk, majd elkezdhetjük megváltoztatni az anyagmásolatot, majd visszaforgathatjuk fénygé, létrehozhatunk egy optikai információs folyamatot, ahol nem pusztítjuk el a fényimpulzusokban lévő kvantuminformációkat. Megőrizzük őket az anyag formájában, majd feldolgozzuk, majd visszaforgatjuk fénnyé.

kérdező: hol tartunk a Bose-Einstein kondenzátumokkal és a fény manipulálásával kapcsolatban? Még a legelején vagyunk ennek?

LENE: Igen. Azt hiszem, csak a jéghegy csúcsát láttuk igazán, mert ami igazán izgalmas, az az, hogy először van fényed, amelyet anyagformává alakíthatsz információvesztés nélkül. A fény fantasztikus az információ kódolására és az információ szállítására. De amint megvan a fényinformáció, amelyet anyagformává alakítasz, rendkívül hatékony feldolgozási módszereid vannak.

ez az, amikor elkezdhetjük manipulálni, feldolgozni az információt, és miután befejeztük a feldolgozást, visszaforgatjuk a fényt. Ez egy rendkívül erős beállítás és teljesen egyedi. Nincs más mód arra, hogy a fényt anyaggá változtassátok vissza fénnyé, és közben végezzétek a feldolgozást, és végezzétek el az egészet a klasszikus fényállapotokon, a fény kvantum állapotain. Rendkívül erős.

ez egy teljesen új rendszer, ahol van néhány teljesen új paradigmánk, amelyet követhetünk. Azt hiszem, még csak az elején vagyunk ennek a nagyon izgalmas lehetőségnek ezen a teljesen új területen.