Intervistatore: Come ti sei interessato alla fisica?

LENE: Beh, penso che il mio primo interesse sia stato in un certo senso in matematica che risale, credo, alla prima elementare e ho avuto un insegnante di matematica eccezionale. Penso che avere un grande insegnante che ti interessa davvero in una materia sia super, super importante.

Poi, quando sono entrato all’università, ho finito per studiare matematica e fisica e inizialmente nei miei studi ho pensato di diventare un matematico fino a quando ho iniziato a conoscere la meccanica quantistica. Questo ha davvero cambiato il mio interesse. Pensavo che la meccanica quantistica fosse assolutamente affascinante.

Intervistatore: Cos’era la meccanica quantistica che hai trovato così avvincente?

LENE: Ci sono fenomeni molto non intuitivi nella meccanica quantistica che sono proprio strani. E ‘ come se la natura si comportasse davvero in questo modo? Poi c’era anche il fatto che avevo questo interesse per la matematica e il fatto che si possono usare strumenti molto matematici per capire quali sono i livelli di energia consentiti per un elettrone in un atomo di idrogeno, per esempio.

Sembra pura matematica. La natura può comportarsi in questo modo? Questo non sembra essere del tutto possibile, ma tuttavia ci sono esperimenti come guardare lo spettro, per esempio, lo spettro delle radiazioni, il tipo di luce che l’idrogeno invierà. Questo sembrava davvero indicare che ci doveva essere qualcosa a queste idee.

Quindi, anche se sembrava pura matematica, sembrava che la natura si comportasse davvero in quel modo. E poi c’erano questi fenomeni folli e non intuitivi. Sappiamo che in ogni momento una particella ha una particolare precisione e una particolare velocità, ma ora stiamo iniziando ad avere questa idea che forse la particella è un fascio di luce simile a un’onda e potrebbe essere qui o potrebbe essere anche lì ed è in realtà un po ‘ entrambi i luoghi allo stesso tempo. Che ho pensato era come, wow; è piuttosto sorprendente.

Intervistatore: C’è un modo semplice per spiegare come si ferma la luce?

LENE: Beh, fondamentalmente, trovo la luce assolutamente affascinante e non c’è niente che vada più veloce della luce e la luce percorre quasi 200.000 miglia al secondo. Questo è abbastanza da capogiro e davvero non c’è niente che vada più veloce di quella luce. Se si inizia a inviare la luce attraverso una finestra – un pezzo di vetro, vetro ha un indice di rifrazione, e che tenderà a rallentare la luce verso il basso solo un po’.

L’intera idea di un indice di rifrazione è l’idea perché le lenti funzionano, perché gli occhiali funzionano, che hai un indice di rifrazione per i materiali. Nel vetro è un po ‘ più alto di quello che è nello spazio libero, nel vuoto o nell’aria. Quindi, in pratica, quando inviamo la luce attraverso un pezzo di vetro, ci saranno un mucchio di elettroni e molecole che compongono il vetro e ciò che fa il fascio di luce è che inizia a far vibrare questi elettroni.

Ora, il fatto che questi elettroni entrino in vibrazioni, essi stessi irradiano un po ‘ di luce perché inizieranno a comportarsi come piccole antenne. La luce che emettono si sommerà alla luce che invii nella finestra, quindi l’effetto principale di tutto ciò sarà che la luce rallenta un po ‘ quando passa attraverso un pezzo di vetro solo del 30 percento o giù di lì, non molto.

Quindi, nel nostro laboratorio abbiamo iniziato a ricevere queste idee che forse possiamo iniziare a ottenere la luce per andare molto lentamente, così lentamente che puoi batterla su una bicicletta. Tutta questa idea mi ha sempre totalmente affascinato perché, ancora una volta, non c’è nulla che va più veloce della luce e se puoi in qualche modo controllarla, domarla, nella misura in cui puoi farla scendere a misura d’uomo in modo da poterla battere su una bicicletta, ho solo che questo è fantastico.

Intervistatore: Quindi stai fermando la luce aumentando l’indice di rifrazione?

LENE: Se inizi ad alzare sempre di più questo indice di rifrazione per rallentare la luce, nel mezzo ciò che accadrà è che rifletterai tutta la luce spenta dal mezzo prima ancora che entri. Quello che farai in questo modo è creare lo specchio migliore del mondo. Non è particolarmente interessante, quindi dobbiamo fare qualcosa di totalmente diverso e in realtà non creiamo un indice di rifrazione molto grande. Questo è confuso per molte persone perché pensano che sia quello che facciamo.

Nel vetro in parte lo rallenti un po ‘perché l’indice di rifrazione è un po’ più alto di quello che è nello spazio libero, e ciò significa che rifletti anche la luce spenta dal mezzo prima ancora che arrivi lì. Oltre a ciò, si ha anche l’assorbimento della luce nel mezzo e ciò significa che la quantità di luce che effettivamente entra nel mezzo, non la si estrae tutta dall’altra parte perché parte di essa verrà assorbita, inghiottita, dal mezzo.

Il modo in cui viene inghiottito è che va in calore nel mezzo; riscalderà un po ‘ il vetro e non avrai mai quel calore trasformato in luce. Lei non potrà mai aggiungere di nuovo al vostro impulso di luce.

Intervistatore: Allora come è possibile fermare la luce, non è un’idea folle?

LENE: Sì. E ‘ esattamente quello che dicevano i miei colleghi. Hanno detto, non sei pazzo? Fondamentalmente, sto parafrasando. Il fatto è che inizialmente morivo davvero dalla voglia di mettere le mani su un condensato perché questo era uno stato della materia completamente nuovo che ci si aspettava fosse uno stato della materia super-fluido. Volevo solo mettere le mani su questo; Ero curioso di iniziare a colpirlo e vedere come avrebbe reagito. Che tipo di proprietà ha?

Il meglio che potevo pensare era di inviare luce in questa condensa e luce che è particolarmente drammatica da inviare, cioè luce che ha una lunghezza d’onda o una frequenza che è sintonizzata molto precisamente in modo tale da corrispondere alla particolare frequenza caratteristica degli atomi. Una volta ottenuto questo si chiama una condizione di risonanza. Una volta ottenuta questa condizione di risonanza, si ottiene un’interazione molto forte tra atomo e luce laser.

Raffreddiamo e creiamo condensa dagli atomi di sodio e quello che facciamo è inviare una luce laser con una lunghezza d’onda tale che la luce sia gialla, quindi circa 589 nanometri, quindi è una specie di luce gialla come dai lampioni al sodio. Quella lunghezza d’onda è tale che corrisponde precisamente a quella frequenza caratteristica degli atomi di sodio. Quindi, per esempio, il sodio assorbirà molta luce se inviamo luce con quella particolare frequenza o lunghezza d’onda, di quella luce gialla.

Quindi, l’invio di luce risonante in un condensato, è particolarmente pericoloso ma anche particolarmente interessante perché si otterrà un’interazione molto forte. Per esempio, i fotoni di sodio assorbiranno la luce da questo fascio in modo molto efficiente, ma questa è esattamente la situazione pericolosa in cui ci si trova perché qui ci sono questi atomi super raffreddati e se l’atomo in quella nube di atomi assorbe un singolo fotone è sufficiente che, da quel singolo assorbimento di fotoni, l’atomo riceva un piccolo calcio e poi viene praticamente espulso dalla nube di atomi, dalla condensa, e lo perdiamo. In realtà, sulla sua uscita quell’atomo inizierà a sbattere contro gli altri atomi e in realtà riscalderà il tutto e l’intera condensa evaporerà praticamente.

Se si inizia a inviare la luce laser risonante in una condensa allora si dovrebbe solo soffiare la condensa a parte. Ecco perché i miei colleghi hanno detto: “Sei pazzo. E ‘ troppo pericoloso.”Il fatto è che, poiché ottieni questa interazione molto drammatica tra atomi e luce laser, hai anche una tremenda sensibilità in termini di sondare questi condensati, ed è quello che cercavo e ottenevo davvero questo perché è davvero una filosofia.

Se vuoi sondare qualcosa, sondalo il più duramente possibile senza che esploda completamente. Quindi, non ding un po’; ding molto e poi sorta di vedere cosa succede.

Intervistatore: Quindi se i tuoi colleghi non pensavano che avrebbe funzionato, perché pensavi che avrebbe funzionato?

LENE: Ho pensato che avrebbe funzionato perché se controlli correttamente i parametri puoi usare questa interazione molto drammatica per sondare in modo molto sensibile le proprietà.

È stato in questo processo di ricerca di condensati con questo raggio laser risonante che abbiamo iniziato a capire, cavolo, cosa succede se non hai uno ma due raggi laser sintonizzati con precisione con le esatte proprietà della luce che arrivano agli angoli retti con le giuste lunghezze d’onda e tutto il resto? Se ne hai due, questi due possono fare insieme le cose giuste agli atomi in modo tale che tu possa effettivamente rallentare la luce fino alla velocità della bicicletta.

Voglio dire, ovviamente, è una cosa avere l’idea che qualcosa dovrebbe funzionare, ma è stata una cosa completamente diversa per farlo funzionare in laboratorio. Sei partito e lo hai impostato in base a come pensi che dovrebbe funzionare, ma, wow, non ha funzionato come avrebbe dovuto. Cosa potrebbe esserci di sbagliato qui?

Quando le cose non funzionavano dovevi davvero pensare tutto il tempo a cosa dovrei cambiare qui? Che succede? E ‘stato cosi’ intenso. Sono quasi entrato nella doccia con i miei vestiti addosso perché stavamo solo pensando a questo tutto il tempo.

Intervistatore: Ma non ti sei arreso. Cos’e ‘ successo dopo?

LENE: Poi, alla fine, abbiamo iniziato a vedere un po ‘ di rallentamento. Certo, è come nel cuore della notte, tipo 4:00 am o qualcosa del genere, e stai guardando sotto il tuo telescopio e inizi a misurare gli impulsi di luce apparentemente rallentati un po’. Ma poi, naturalmente, ci innervosiamo. Accidenti, uno di noi ha urtato il pomello dell’oscilloscopio? Forse è un artefatto. Quindi, abbiamo dovuto fare un esperimento di controllo, quindi abbiamo dovuto caricare gli atomi nel sistema di nuovo e raffreddarli e formare una condensa e poi inviare un altro impulso di luce e cercare di vedere se ha rallentato.

L’intero processo ha richiesto circa due minuti, ma è stato come i due minuti più lunghi della mia vita, penso. Poi, alla fine abbiamo misurato che una seconda volta e abbastanza sicuro è stato rallentato. E ‘ stato davvero emozionante. Era solo un po ‘ di rallentamento, ma era come “Penso che abbiamo qualcosa qui.”E poi è stata una questione di continuare a spingere e poi abbiamo raggiunto la velocità dell’aereo e poi, questo è stato nell’estate del ’98, e a quel punto all’improvviso ho dovuto andare a Copenhagen per insegnare una master class.

Non volevo andare, ma avevo promesso di insegnare quella classe così ho dovuto andare. Ricordo che stavo decollando in aereo da Boston a Copenhagen e seguendo la velocità dell’aereo sul grande schermo lì e pensando oh, wow; ora stiamo andando più veloce del mio impulso di luce in laboratorio. Stavo calcolando se avessi inviato un impulso di luce fuori da Boston al momento ho lasciato in aereo sarei arrivato a Copenaghen un’ora prima del mio impulso di luce.

Quindi, fondamentalmente ero a Copenhagen per la settimana e poi sono tornato di corsa a Cambridge per continuare con gli esperimenti. Poi, circa un mese o due dopo abbiamo iniziato a rallentare la luce fino alla velocità della bicicletta. Ricordo quella notte. Era, di nuovo, nel cuore della notte e tu eri seduto lì e sei solo la prima persona nella storia ad essere in questo regime di natura vedendo la luce andare così lentamente. E ‘ stato davvero incredibile e una sensazione incredibile e una sorta di vale tutto il duro lavoro che era andato prima che.

Intervistatore: Puoi spiegare più dettagliatamente l’arresto della luce nel BEC?

LENE: La luce di stop è arrivata dopo la luce lenta, sì. Quindi stiamo rallentando la luce per fattori di 10100.000.000. Non stiamo parlando come 30 per cento in una finestra; è un fattore di 10100.000.000. Quindi, da 200.000 miglia al secondo scendiamo a 15 miglia all’ora e questo è il tipo di rallentamento.

Quello che succede è che insieme al rallentamento l’impulso luminoso si comprime anche spazialmente dallo stesso fattore che rallenta. Quindi, ora abbiamo una piccola nuvola di aria fredda raffreddata a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Fa molto, molto freddo, e la nuvola ha solo 0,1 millimetri di dimensione, quindi è una nuvola piuttosto piccola che teniamo nella camera a vuoto.

Quindi inviamo l’impulso di luce e l’impulso di luce è lungo circa un miglio quando inizia nello spazio libero e poi iniziamo a inviarlo nella nostra nuvola atomica. Quello che succede è che il bordo anteriore rallenterà perché ora sta iniziando ad entrare nella nuvola atomica, ma il bordo posteriore è ancora fuori nello spazio libero, quindi la coda è qui fuori, e continuerà ad andare alla normale velocità della luce. Quindi, ora il bordo posteriore inizierà a raggiungere il bordo anteriore in modo da ottenere questo impulso di luce per comprimere come un po ‘ di concertazione.

Come ho detto, è compresso dallo stesso fattore che lo rallentiamo, quindi da un miglio a 0,02 millimetri è meno della metà dello spessore di un capello; è così che l’impulso di luce finisce per essere piccolo. A quel punto si adatta totalmente all’interno della nuvola atomica, anche se la nuvola atomica è più piccola, l’impulso luminoso finisce per diventare ancora più piccolo, quindi si adatta all’interno. Se poi lasciamo che si propaghi, si propagherà molto, molto lentamente alla velocità della bicicletta attraverso la nube atomica e alla fine inizierà a uscire dall’altra parte.

A quel punto l’impulso luminoso inizierà ad uscire. Il bordo anteriore decolla, accelera indietro e l’impulso di luce si estende e finisce con esattamente la stessa lunghezza che doveva cominciare, circa un miglio. Poi alla fine si muove, accelera di nuovo e si muove alla normale velocità della luce alta, ma una volta che l’hai rallentato e compresso e contenuto all’interno della nuvola atomica ciò che l’impulso di luce in realtà fa è fare una piccola impronta, come una piccola impronta olografica nella nuvola atomica.

Quindi, in realtà cambia lo stato interno degli atomi nella condensa quando formano questa impronta. Quell’impronta segue gli impulsi di luce mentre si propaga lentamente attraverso la nube atomica e ora, quando ne abbiamo voglia, possiamo effettivamente fermare completamente quell’impulso di luce perché è completamente contenuto nella nube atomica e possiamo fermarlo completamente, spegnere l’impulso di luce e poi aggrapparci all’impronta olografica. Quindi, possiamo congelare quell’impronta all’interno della nube atomica e poi possiamo decidere di trasformare quell’ologramma di nuovo in luce. Rianimiamo l’impulso luminoso e lo mandiamo avanti come se nulla fosse accaduto.

Intervistatore: Cosa sta attualmente motivando la tua ricerca?

LENE: Fondamentalmente, ciò che motiva veramente la nostra ricerca ora è che abbiamo trovato questo metodo con il quale possiamo convertire completamente la luce in materia e tornare alla luce senza perdita di informazioni. Quindi, abbiamo un impulso di luce; possiamo creare una copia di materia perfetta di quell’impulso di luce con esattamente le stesse proprietà e la stessa forma, stesso contenuto informativo, e non c’è altro modo per farlo.

Quello che ci permette di fare ora andando avanti è che possiamo iniziare a creare ciò che viene chiamato, ad esempio, reti quantistiche. È una specie di analogo quantomeccanico dell’informazione, della comunicazione ottica, della rete in fibra ottica che conosciamo oggi dove amiamo inviare dati in fibre ottiche, onde di dati elevate e tutto il resto e scaricarli sui nostri computer. Ma c’è una sorta di modo completamente diverso di farlo in cui possiamo iniziare a inviare stati quantici di luce intorno a fibre ottiche.

A tal fine, la luce funziona alla grande. È possibile codificare le informazioni in luce e inviarle in informazioni ottiche. È ottimo per il trasporto, ma il problema è se vuoi controllare le informazioni ottiche, se vuoi effettivamente cambiare le informazioni o vuoi manipolarle o vuoi elaborarle e vuoi determinare dove dovrei indirizzare queste informazioni, tutto ciò richiede il controllo della luce e questo è lo stato quantico della luce.

Ecco perché vuoi prendere la luce e trasformarla in forma di materia perché nella forma della materia puoi manipolarla in modo estremamente potente, cosa che non puoi fare mentre è in forma di luce. Poi, in forma di materia si può manipolare incredibilmente potente e poi una volta che si è fatto si trasforma di nuovo in luce e inviarlo giù un’altra fibra ottica. Quindi questo tipo di possibilità sono estremamente eccitanti e tutto sta aprendo un intero regno di possibilità.

Intervistatore: la luce viene utilizzata in questo momento per copiare e spostare i dati. In che modo la manipolazione della luce meccanica quantistica sarà diversa da quella?

LENE: Quindi, fondamentalmente quello che si fa quando normalmente si inviano impulsi di luce su una fibra ottica è che arrivano a un router e si possono quindi trasformare le informazioni ottiche in segnali elettronici. Il problema è che quando lo fai perdi gran parte delle informazioni. Non è possibile convertire tutte le informazioni contenute nell’impulso di luce in segnali elettronici, ma con i metodi che abbiamo sviluppato è possibile prendere l’impulso di luce e trasformare tutte le informazioni in materia.

Quindi, non c’è assolutamente alcuna perdita di informazioni? L’ampiezza, fase; statistiche: quanti fotoni ho nell’impulso luminoso e quantico meccanicamente potrei in realtà non avere un numero esatto di fotoni. Potrei avere 1.000 e poi allo stesso tempo ho effettivamente 1.001 e 1.002 tutti allo stesso tempo. Quella statistica, come la chiamiamo noi, viene preservata quando la trasformiamo in materia. Quindi possiamo manipolarlo in forma di materia e poi trasformarlo di nuovo in luce in modo da preservare tutte le informazioni. Non perdiamo nulla e semplicemente non c’è altro modo di farlo perché i metodi che stiamo usando oggi perdono gran parte delle informazioni.

Intervistatore: Qual è la differenza in termini di scala saggio tra il router, il router condensato Bose-Einstein, e un router elettronico?

LENE: Puoi dire che al momento abbiamo una stanza piena di ottiche e non è esattamente un sistema pratico, ma questo è il tipo di cosa che se ti stai muovendo in un nuovo regime è così che tutto inizia, un grande sistema prototipo. E, naturalmente, allora quello che accadrebbe, forse, è che diresti bene, gee posso usare questo per una particolare applicazione.

Potremmo creare un sistema molto più pratico che possa fare proprio questo? Allora diresti bene, sì, forse possiamo. Quindi diresti su quali proprietà dovremmo concentrarci, su quali dovremmo ottimizzare? Quindi proveresti a creare un sistema pratico attorno a questo insieme di criteri di progettazione. Potrebbe essere qualcosa come implementare l’esperimento che abbiamo con piccole nanostrutture come strutture integrate con chip a temperatura ambiente. Questa è certamente una possibilità eccitante.

Intervistatore: quindi stai cercando di calcolare le informazioni senza distruggere la stranezza meccanica quantistica?

LENE: Sì! Esatto, esatto. Si potrebbe dire che stiamo cercando di fare un computer. In cosa consiste un computer? Un computer è composto da due ingredienti principali. Ha una memoria e ha un processore. Quindi, dobbiamo essere in grado di memorizzare e trattenere le informazioni ottiche senza distruggere alcuna informazione e, allo stesso tempo, dobbiamo essere in grado di elaborarle e modificarle in modo controllato.

Vogliamo fare entrambe le cose e con questi ultimi risultati in cui trasformiamo la luce in una copia della materia e quindi possiamo iniziare a cambiare la copia della materia e poi trasformarla di nuovo in luce, possiamo creare un processo di informazione ottica in cui non distruggiamo nessuna delle informazioni quantistiche negli impulsi di luce. Li conserviamo nella sua forma di materia e poi lo elaboriamo e poi lo trasformiamo di nuovo in luce.

Intervistatore: A che punto siamo quando si tratta di condensati di Bose-Einstein e di manipolare la luce? Siamo proprio all’inizio?

LENE: Sì. Penso che abbiamo visto solo la punta dell’iceberg in realtà perché ciò che è veramente eccitante è che per la prima volta si ha la luce che si può trasformare in forma di materia senza perdita di informazioni. La luce è fantastica per la codifica delle informazioni e il trasporto di tali informazioni. Ma una volta che hai le informazioni sulla luce che trasformi in forma di materia, hai metodi di elaborazione estremamente potenti.

È allora che puoi iniziare a manipolare, elaborare le informazioni e una volta terminata l’elaborazione, trasformarle in luce. Questo è un set-up estremamente potente e assolutamente unico. Non c’è altro modo in cui puoi trasformare la luce in materia e tornare alla luce e fare l’elaborazione in mezzo e fare il tutto su stati classici di luce, stati quantici di luce. E ‘ estremamente potente.

Questo è un sistema totalmente nuovo in cui abbiamo alcuni paradigmi assolutamente nuovi che possiamo perseguire. Siamo solo all’inizio di questa, credo, serie di possibilità molto interessanti in questo nuovo settore.