Intervjuer: Hvordan ble du interessert i fysikk?

LENE: vel, jeg tror min første interesse var på en måte i matematikk som dateres tilbake, tror jeg, til første klasse, og jeg hadde en fantastisk mattelærer. Jeg tror å ha en god lærer som virkelig får deg interessert i et emne er super, super viktig.

da, da jeg kom inn på universitetet, endte jeg med å studere litt matematikk og fysikk, og først i studiene trodde jeg at jeg skulle bli matematiker til jeg begynte å lære om kvantemekanikk. Det endret virkelig interessen min. Jeg trodde kvantemekanikk var bare helt fascinerende.

Intervjuer: hva var det med kvantemekanikk du fant så overbevisende?

LENE: det er svært ikke-intuitive fenomener i kvantemekanikk som er akkurat som rare. Det er som om naturen virkelig oppfører seg slik? Da var det også at jeg hadde denne interessen for matematikk og det faktum at du kan bruke veldig matematiske verktøy for å finne ut hva de tillatte energinivåene for et elektron i et hydrogenatom, for eksempel.

dette ser ut som ren matte. Kan naturen oppføre seg på denne måten? Dette ser ikke ut til å være ganske mulig, men likevel er det eksperimenter som å se på spekteret, for eksempel strålingsspektret, den typen lys som hydrogen vil sende ut. Som virkelig syntes å indikere at det måtte være noe til disse ideene.

så, selv om det virket som ren matte, virket det som om naturen virkelig oppførte seg på den måten. Og så var det disse galne, ikke-intuitive fenomenene. Vi vet på hvert tidspunkt at en partikkel har en bestemt presisjon og en bestemt hastighet, men nå begynner vi å få denne ideen om at partikkelen kanskje er denne bølgelignende lysstrålen, og det kan være her, eller det kan faktisk også være der, og det er faktisk begge steder samtidig. Som jeg trodde var som, wow; det er ganske utrolig.

Intervjuer: er det en enkel måte du kan forklare hvordan du stopper lys?

LENE: vel, i utgangspunktet finner jeg lys helt fascinerende, og det er ingenting som går raskere enn lys og lys reiser nesten 200.000 miles per sekund. Det er ganske overveldende, og egentlig er det ingenting som går raskere det lyset. Hvis du begynner å sende lys gjennom et vindu-et stykke glass, har glass en brytningsindeks, og det vil ha en tendens til å senke lyset bare litt.

hele ideen om en brytningsindeks er ideen om hvorfor linser fungerer, hvorfor briller fungerer, at du har en brytningsindeks for materialer. I glass er det litt høyere enn hva det er i ledig plass, i vakuum eller i luft. Så, i utgangspunktet hva som skjer er når vi sender lys gjennom et stykke glass, vil det være en haug med elektroner og molekyler i å gjøre opp glasset og hva lysstrålen gjør er det begynner å få disse elektronene i vibrasjoner.

nå, det faktum at disse elektronene kommer inn i vibrasjoner, vil de selv utstråle litt lys fordi de begynner å virke som små antenner. Lyset som de sender ut, vil på en måte legge sammen med lyset du sender inn i vinduet, så hovedvirkningen av alt dette vil være at lyset senker litt når det går gjennom et glass bare som 30 prosent eller så, ikke veldig mye.

så i vårt laboratorium begynte vi å få disse ideene som kanskje vi kan begynne å få lys til å gå veldig sakte, så sakte at du kan slå den på en sykkel. Hele denne ideen har alltid helt fascinert meg fordi, igjen, det er ingenting som går raskere enn lys, og hvis du kan liksom kontrollere det, temme det, i den grad at du kan få det ned på en menneskelig skala, slik at du kan det slå den på en sykkel, jeg bare at at dette er fantastisk.

Intervjuer: så stopper du lyset ved å øke brytningsindeksen?

LENE: hvis du begynner å spy denne brytningsindeksen opp mer og mer for å senke lyset ned, vil du i mediet reflektere alt lyset fra mediet før det selv kommer inn. Det du vil gjøre på den måten er bare å skape verdens beste speil. Det er ikke spesielt interessant, så vi må gjøre noe helt annet, og vi lager faktisk ikke en veldig stor brytningsindeks. Det er forvirrende for mange mennesker fordi de tror det er det vi gjør.

i glass senker du det litt ned fordi brytningsindeksen er litt høyere enn hva den er i ledig plass, og det betyr at du også reflekterer lyset av mediet før det selv kommer inn der. På toppen av det har du også absorpsjon av lys i mediet, og det betyr at mengden lys som faktisk kommer inn i mediet, vil du ikke få alt ut på den andre siden fordi noe av det vil absorbere, gobbled opp, av mediet.

måten det blir gobbled opp er det går inn i varme i mediet; det vil varme glasset litt, og du vil aldri få den varmen slått tilbake til lys. Du vil aldri legge den igjen til lyspulsen din.

Intervjuer: så hvordan er det mulig å stoppe lys, er ikke dette en gal ide?

LENE: Ja. Det var akkurat det mine kolleger sa. De sa: Er du ikke gal? I utgangspunktet parafraserer jeg. Saken er at i utgangspunktet var jeg virkelig døende for å få hendene på kondensat fordi dette var en helt ny tilstand av materie som forventes å være en superflytende tilstand av materie. Jeg ville bare få hendene mine på dette; jeg var nysgjerrig på å begynne å peke på det og se hvordan det ville reagere. Hva slags egenskaper har den?

det beste jeg kunne tenke på var å sende lys inn i dette kondensatet og lys som er spesielt dramatisk å sende inn, nemlig lys som har en bølgelengde eller frekvens som er innstilt veldig nøyaktig slik at den samsvarer med atomenes spesielle karakteristiske frekvens. Når du får dette kalles det en resonans tilstand. Når du får den resonanstilstanden, får du en veldig sterk interaksjon mellom atom og laserlys.

vi kjøler og lager kondensater ut av natriumatomer, og det vi gjør er at vi sender et laserlys inn med en bølgelengde slik at lyset er gult, så omtrent 589 nanometer, så det er et slags gult lys som fra natriumgatelampene. Den bølgelengden er slik at den nettopp samsvarer med den karakteristiske frekvensen av natriumatomer. Så, for eksempel, vil natrium absorbere mye lys hvis vi sender lys inn med den aktuelle frekvensen eller bølgelengden, av det gule lyset.

så, sender resonanslys inn i kondensat, det er spesielt farlig, men også spesielt interessant fordi du får en veldig sterk interaksjon. For eksempel vil natriumfotoner absorbere lys ut av denne strålen veldig effektivt, men det er akkurat den farlige situasjonen å være i fordi her har du disse superkjølte atomer, og hvis atomet i den atomskyen bare absorberte en enkelt foton, er det nok at fra den enkelt fotonabsorpsjonen at atomet vil få et lite spark og så i utgangspunktet bli sparket rett ut av atomskyen, ut av kondensatet, og vi mister det bare. Faktisk, på vei ut at atom vil begynne å banke inn i de andre atomer og faktisk varme hele greia og hele kondensatet vil bare i utgangspunktet fordampe.

hvis du begynner å sende resonanslaserlyset inn i et kondensat, bør du bare blåse kondensatet fra hverandre. Det er derfor mine kolleger sa, » Du er gal . Dette er for farlig.»Saken er, fordi du får denne svært dramatiske samspillet mellom atomer og laserlys du har også en enorm følsomhet i form av sondering disse kondensater, og det er hva jeg var etter og virkelig får dette fordi det er virkelig en filosofi.

hvis du vil sonde noe, sonde det så hardt du muligens kan uten at det helt blåser fra hverandre. Så, ikke ding det litt; ding det mye og så slags se hva som skjer.

Intervjuer: så hvis dine kolleger ikke trodde det ville fungere, hvorfor trodde du det skulle fungere?

LENE: Jeg trodde det skulle fungere fordi hvis du kontrollerer parametrene riktig, kan du bruke denne svært dramatiske interaksjonen til veldig, veldig sensitivt sondere egenskapene.

Det var liksom i denne prosessen med å prøve å sonde kondensater med denne resonanslaserstrålen som vi begynte å innse, gee, hva om du ikke har en, men to nøyaktig innstilt laserstråler med de nøyaktige lysegenskapene som kommer inn i rette vinkler med de riktige bølgelengdene og alt det? Hvis du har to av dem, kan de to sammen gjøre de riktige tingene til atomene slik at du faktisk kan senke lyset ned til sykkelhastighet.

jeg mener selvfølgelig det er en ting å ha ideen om at noe skal fungere, men det var en helt annen ting å faktisk få det til å fungere i laboratoriet. Du setter ut og du setter det opp i henhold til hvordan du tror det skal fungere, men wow, det fungerte ikke helt som det skulle. Hva kan muligens være galt her?

når ting ikke fungerte du virkelig måtte tenke på hele tiden hva skal jeg endre her? Hva er det som skjer? Det var så intenst. Jeg gikk nesten inn i dusjen med klærne mine på fordi vi bare tenkte på dette hele tiden.

Intervjuer: men du ga ikke opp. Hva skjedde så?

LENE: så, etter hvert, begynte vi å se litt slow-down. Selvfølgelig, det er som i midten av natten, som 4:00 am eller noe, og du ser liksom under teleskopet ditt og begynner å måle lyspulser som tilsynelatende har bremset litt. Men så blir vi selvfølgelig nervøse. Jøss, traff en av oss knappen på oscilloskopet? Kanskje det er en artefakt. Så vi måtte gjøre et kontrolleksperiment, så det betyr at vi måtte laste atomene inn i systemet igjen og avkjøle dem og danne kondensat og deretter sende en annen lyspuls inn og prøve å se om det bremset ned.

hele prosessen tok omtrent to minutter, men det var som de lengste to minuttene i mitt liv, tror jeg. Så til slutt målte vi det en gang til, og sikkert nok ble det bremset. Det var veldig spennende. Det var bare en liten bit av nedgangen, men det var som «jeg tror vi har noe her.»Og så var det et spørsmål om bare å fortsette å presse og så fikk vi det ned til flyhastighet, og så var dette sommeren’ 98, og på det tidspunktet måtte jeg plutselig gå til København for å lære en mesterklasse.

jeg ville ikke gå, men jeg hadde lovet å undervise den klassen, så jeg måtte gå. Jeg husker at jeg tok av i flyet Fra Boston Til København og fulgte flyets hastighet på den store skjermen der og tenkte oh, wow; nå går vi raskere enn lyspulsen min i laboratoriet. Jeg regnet med at hvis jeg hadde sendt en lyspuls fra Boston da jeg dro i flyet, ville jeg ankomme København en time før lyspulsen min.

så, i utgangspunktet var jeg I København for uken og så rushed tilbake til Cambridge for å fortsette med forsøkene. Så, omtrent en måned eller to senere begynte vi å senke lyset ned til sykkelhastighet. Jeg husker den kvelden. Det var igjen midt på natten, og du satt bare der og du er bare den første personen i historien som er i dette naturregimet og ser lyset gå så sakte. Det var virkelig fantastisk og en fantastisk følelse og slags verdt alt det harde arbeidet som hadde gått før det.

Intervjuer: kan du forklare nærmere stopp av lys i BEC?

LENE: stopplyset kom etter det langsomme lyset, ja. Så vi senker lyset ned av faktorer på 10100.000.000. Vi snakker ikke som 30 prosent i et vindu; det er en faktor på 10100.000.000. Så, fra 200.000 miles per sekund går vi ned til 15 miles i timen,og det er den slags sakte.

det som skjer er at sammen med sakte ned, komprimerer lyspulsen også romlig med samme faktor som den senker. Så, nå har vi en teeny, weenie liten sky av kald luft avkjølt til noen milliarddeler av en grad over absolutt null. Det er veldig, veldig kaldt, og skyen er egentlig bare 0.1 millimeter i størrelse, så det er en ganske liten sky som vi holder i vakuumkammeret.

så sender vi lyspulsen inn og lyspulsen er omtrent en kilometer lang når den starter i ledig plass og så begynner vi å sende den inn i vår atomsky. Det som skjer er at forkanten vil avta fordi nå som begynner å gå inn i atomskyen, men bakkanten er fortsatt ute i ledig plass, så halen er her ute, og det vil fortsette med normal lyshastighet. Så, nå vil bakkanten begynne å ta opp til forkanten, slik at du får denne lyspulsen til å komprimere som en liten samordning.

som jeg sa, komprimeres den av samme faktor som vi senker den ned, så fra en kilometer til 0,02 millimeter er mindre enn en halv tykkelse av et hår; det er så lite lyspulsen ender opp med å bli. På det tidspunktet passer den helt inn i atomskyen, selv om atomskyen er mindre, blir lyspulsen enda mindre, slik at den passer innvendig. Hvis vi bare lar det forplante seg, vil det forplante seg veldig, veldig sakte på sykkelhastighet gjennom atomskyen og til slutt vil det begynne å komme ut på den andre siden.

på det tidspunktet begynner lyspulsen å gå ut. Forkanten tar av, den går tilbake og lyspulsen strekker seg ut og ender med nøyaktig samme lengde som den måtte begynne med, omtrent en kilometer. Så beveger den seg til slutt, akselererer opp igjen og beveger seg på normal høy lyshastighet, men når du har det bremset og komprimert og inneholdt i atomskyen, hva lyspulsen faktisk gjør, er det et lite avtrykk, som et lite holografisk avtrykk i atomskyen.

Så endrer det faktisk den indre tilstanden til atomene i kondensatet når de danner dette avtrykket. Det avtrykket følger langs lyspulsene da det sakte forplanter seg gjennom atomskyen, og nå, når vi føler for det, kan vi faktisk helt stoppe den lyspulsen fordi den er helt inneholdt i atomskyen, og vi kan bare faktisk helt stoppe den, slå lyspulsen av og bare holde fast på det holografiske avtrykket. Så kan vi fryse det avtrykket i atomskyen, og senere kan vi bestemme oss for å slå det hologrammet tilbake til lys. Vi gjenoppliver lyspulsen og sender den på som om ingenting hadde skjedd.

Intervjuer: Hva motiverer din forskning for tiden?

LENE: vel, i utgangspunktet er det som virkelig motiverer vår forskning nå at vi har funnet denne metoden som vi helt kan konvertere lys til materie og tilbake til lys uten tap av informasjon. Så vi har en lyspuls; vi kan lage en perfekt sak kopi av den lyspulsen med nøyaktig samme egenskaper og samme form, samme informasjonsinnhold, og det er ingen annen måte du kan gjøre det på.

Hva det tillater oss å gjøre nå fremover, er at vi kan begynne å lage det som kalles for eksempel kvantenettverk. Det er slags kvantemekanisk analog av informasjonen, den optiske kommunikasjonen, det fiberoptiske nettverket som vi vet i dag hvor vi elsker å sende data rundt i optiske fibre, høye databølger og alt dette og laste det ned på våre datamaskiner. Men det er en helt annen måte å gjøre det på der vi kan begynne å sende kvantetilstander av lys rundt i optiske fibre.

for det formålet fungerer lyset bra. Du kan kode informasjon i lys og sende den ut i optisk informasjon. Det er flott for transport, men problemet er hvis du vil kontrollere optisk informasjon, hvis du faktisk vil endre informasjonen eller du vil manipulere den eller du vil behandle den, og du vil bestemme hvor jeg skal rute denne informasjonen, alt dette krever kontroll av lys og det er kvantetilstand av lys.

det er derfor du vil ta lys og gjøre det til materiell form fordi du i saksformen kan manipulere det ekstremt kraftig som du ikke kan gjøre mens det er i lysform. Så, i materiell form kan du manipulere det utrolig kraftig, og når du er ferdig, slår du den tilbake til lys og sender den ned en annen optisk fiber. Så slike muligheter er ekstremt spennende, og det åpner opp en hel verden av muligheter.

Intervjuer: Lys brukes akkurat nå til å kopiere og flytte data. Hvordan Vil Kvantemekanisk lysmanipulasjon avvike fra det?

LENE: Så, i utgangspunktet hva du gjør når du normalt sender lyspulser ned en optisk fiber, kommer de til en ruter, og du kan da slå den optiske informasjonen til elektroniske signaler. Problemet er når du gjør at du mister en stor del av informasjonen. Du kan ikke konvertere all informasjon som er i lyspulsen til elektroniske signaler, men med metodene vi har utviklet, kan du ta lyspulsen og slå all informasjon til materie.

Så, det er absolutt ingen informasjon tap? Amplitude, fase; statistikk: hvor mange fotoner har jeg i lyspulsen og kvantemekanisk, kan jeg faktisk ikke ha et eksakt antall fotoner. Jeg kan ha 1000 og samtidig har jeg faktisk 1001 og 1002 på samme tid. Den statistikken, som vi kaller den, bevares når vi gjør den til materie. Da kan vi manipulere den i materiell form og deretter slå den tilbake i lys, slik at vi beholder all informasjon. Vi mister ikke noe, og det er rett og slett ingen annen måte å gjøre det fordi metodene vi bruker i dag mister en stor del av informasjonen.

Intervjuer: Hva er forskjellen når det gjelder skala klok mellom ruteren, Bose-Einstein kondensat router, og en elektronisk router?

LENE: du kan si for øyeblikket at vi har et rom fullt av optikk, og det er ikke akkurat et praktisk system, men det er den typen ting at hvis du beveger deg inn i et nytt regime, er det slik alt starter, et stort prototypesystem. Og, selvfølgelig, så hva ville skje, kanskje, er du vil si vel, gee jeg kan bruke dette for et bestemt program.

Kan vi lage et system som er mye mer praktisk som kan gjøre nettopp dette? Da vil du si vel, ja, kanskje vi kan. Så vil du si hvilke egenskaper skal vi fokusere på, som skal vi optimalisere? Da ville du prøve å lage et praktisk system rundt dette settet med designkriterier. Det kan være noe som å implementere eksperimentet vi har med små nanostrukturer som romtemperaturbrikke integrerte strukturer. Det er absolutt en spennende mulighet.

Intervjuer: så du prøver å beregne informasjon uten å ødelegge kvantemekanisk raritet?

LENE: Ja! Det er riktig, akkurat. Du kan si at vi prøver å lage en datamaskin. Hva består en datamaskin av? En datamaskin består av to hovedingredienser. Den har et minne, og den har en prosessor. Så vi må kunne lagre og holde fast på den optiske informasjonen uten å ødelegge informasjon, og samtidig må vi kunne behandle og endre den på en kontrollert måte.

vi ønsker å gjøre begge deler, og med disse siste resultatene der vi slår lys inn i en sak kopi og deretter kan begynne å endre saken kopi og deretter slå den tilbake i lys, kan vi lage en prosess med optisk informasjon der vi ikke ødelegge noen av quantum informasjon i lyspulser. Vi bevarer dem i sin materielle form og behandler det og setter det tilbake i lys.

Intervjuer: Hvor er Vi når Det gjelder Bose-Einstein kondensater og manipulere lys? Er vi i begynnelsen av dette?

LENE: Ja. Jeg tror vi har bare sett toppen av isfjellet virkelig fordi det er virkelig spennende er at for første gang du har lys som du kan slå inn materie form uten tap av informasjon. Lys er fantastisk for koding av informasjon og transport av denne informasjonen. Men når du har lysinformasjonen som du blir til materiell form, har du ekstremt kraftige behandlingsmetoder.

det er da du kan begynne å manipulere, behandle informasjonen, og når du er ferdig med å behandle, slår du den tilbake til lys. Det er et ekstremt kraftig oppsett og helt unikt. Det er ingen annen måte hvor du kan slå lys til materie og tilbake til lys og gjøre behandlingen i mellom og gjøre det hele på klassiske tilstander av lys, kvantetilstander av lys. Det er ekstremt kraftig.

Dette er et helt nytt system der vi har noen helt nye paradigmer som vi kan forfølge. Vi er bare i begynnelsen av det, tror jeg, veldig spennende sett med muligheter i dette helt nye området.