Reporter: Cum v-a interesat fizica?

Lene: Ei bine, cred că primul meu interes a fost într-un anumit sens în matematică datând, cred, din clasa întâi și am avut un profesor de matematică grozav. Cred că a avea un profesor grozav care să te intereseze cu adevărat de un subiect este foarte, foarte important.

apoi, când am intrat în universitate, am ajuns să studiez niște matematică și fizică și inițial în studiile mele am crezut că voi deveni matematician până când am început să învăț despre mecanica cuantică. Asta chiar mi-a schimbat interesul. Am crezut că mecanica cuantică este absolut fascinantă.

intervievator: ce a fost despre mecanica cuantică ați găsit atât de convingătoare?

LENE: există fenomene foarte non-intuitive în mecanica cuantică care sunt la fel de ciudate. Este ca și cum natura se comportă într-adevăr așa? Apoi a fost, de asemenea, că am avut acest interes în matematică și faptul că puteți folosi instrumente foarte matematice pentru a afla care sunt nivelurile de energie permise pentru un electron într-un atom de hidrogen, de exemplu.

arată ca o matematică pură. Poate natura să se comporte în acest fel? Acest lucru nu pare a fi destul de posibil, dar totuși există experimente cum ar fi privirea spectrului, de exemplu, spectrul de radiații, tipul de lumină pe care hidrogenul o va trimite. Asta părea să indice că trebuie să existe ceva în aceste idei.

deci, chiar dacă părea matematică pură, părea că natura s-a comportat într-adevăr așa. Și apoi au existat aceste fenomene nebune, non-intuitive. Știm că în fiecare moment o particulă are o anumită precizie și o anumită viteză, dar acum începem să avem această idee că poate particula este un fascicul de lumină asemănător undelor și ar putea fi aici sau ar putea fi de fapt și acolo și este de fapt un fel de ambele locuri în același timp. Asta am crezut că a fost ca, wow; asta e destul de uimitor.

intervievator: există o modalitate simplă de a explica modul în care opriți lumina?

LENE: Ei bine, pe scurt, găsesc lumina absolut fascinantă și nu există nimic care să meargă mai repede decât lumina și lumina călătorește aproape 200.000 de mile pe secundă. Asta e destul de uluitor și într-adevăr nu e nimic care merge mai repede că lumina. Dacă începeți să trimiteți lumină printr—o fereastră-o bucată de sticlă, sticla are un indice de refracție și care va tinde să încetinească lumina doar puțin.

întreaga idee a unui indice de refracție este ideea de ce funcționează lentilele, de ce funcționează ochelarii pentru ochi, că aveți un indice de refracție pentru materiale. În sticlă este puțin mai mare decât ceea ce este în spațiu liber, în vid sau în aer. Deci, practic, ce se întâmplă este că atunci când trimitem lumină printr-o bucată de sticlă, vor exista o grămadă de electroni și molecule în alcătuirea sticlei și ceea ce face fasciculul de lumină este că începe să aducă acești electroni în vibrații.

acum, faptul că acești electroni intră în vibrații ei înșiși vor radia un pic de lumină pentru că vor începe să acționeze ca niște antene mici. Lumina pe care o trimit se va adăuga împreună cu lumina pe care o trimiteți în fereastră, astfel încât efectul principal al tuturor acestor lucruri va fi că lumina încetinește puțin atunci când trece printr-o bucată de sticlă cu aproximativ 30% sau cam așa ceva, nu foarte mult.

deci, în laboratorul nostru am început să obținem aceste idei că poate putem începe să facem lumina să meargă foarte încet, atât de încet încât să o poți bate pe bicicletă. Toată această idee m-a fascinat întotdeauna total pentru că, din nou, nu există nimic care să meargă mai repede decât lumina și dacă poți cumva să o controlezi, să o îmblânzești, în măsura în care o poți coborî la scară umană, astfel încât să o poți bate pe bicicletă, doar că asta este fantastic.

intervievator: deci opriți lumina prin creșterea indicelui de refracție?

LENE: dacă începeți să ridicați acest indice de refracție din ce în ce mai mult pentru a încetini lumina, în mediu ceea ce se va întâmpla este că veți reflecta toată lumina de pe mediu înainte de a intra chiar. Ceea ce veți face în acest fel este să creați cea mai bună oglindă din lume. Nu este deosebit de interesant, așa că trebuie să facem ceva total diferit și de fapt nu creăm un indice de refracție foarte mare. Acest lucru este confuz pentru o mulțime de oameni, deoarece ei cred că asta facem.

în sticlă îl încetinești parțial, deoarece indicele de refracție este puțin mai mare decât ceea ce este în spațiul liber și asta înseamnă că reflectezi și lumina de pe mediu înainte de a ajunge acolo. În plus, aveți și absorbția luminii în mediu și ceea ce înseamnă că cantitatea de lumină care intră de fapt în mediu, nu o veți scoate pe toată de cealaltă parte, deoarece o parte din ea va fi absorbită, înghițită, de mediu.

modul în care devine înghițit este că intră în căldură în mediu; va încălzi puțin paharul și nu veți obține niciodată acea căldură transformată înapoi în lumină. Nu o vei mai adăuga niciodată la pulsul tău de lumină.

intervievator: atunci cum este posibil să oprești lumina, nu este o idee nebună?

LENE: Da. Exact asta spuneau colegii mei. Ei au spus, nu ești nebun? Practic, parafrazez. Lucrul este că inițial muream cu adevărat să pun mâna pe un condens, deoarece aceasta era o stare de materie total nouă, care se aștepta să fie o stare super-fluidă a materiei. Am vrut doar să pun mâna pe asta; am fost curios să încep să-l bag și să văd cum va reacționa. Ce fel de proprietăți are?

cel mai bun lucru la care m-am putut gândi a fost să trimit lumină în acest condens și lumină care este deosebit de dramatică de trimis, și anume lumină care are o lungime de undă sau o frecvență care este reglată foarte precis astfel încât să se potrivească cu frecvența caracteristică particulară a atomilor. Odată ce ați obține acest lucru se numește o condiție de rezonanță. Odată ce obțineți această condiție de rezonanță, obțineți o interacțiune foarte puternică între atom și lumina laser.

ne răcim și creăm condensate din atomi de sodiu și ceea ce facem este să trimitem o lumină laser cu o lungime de undă astfel încât lumina să fie galbenă, deci aproximativ 589 nanometri, deci este un fel de lumină galbenă ca de la lămpile stradale de sodiu. Această lungime de undă este de așa natură încât se potrivește exact cu frecvența caracteristică a atomilor de sodiu. De exemplu, sodiul va absorbi multă lumină dacă trimitem lumină cu acea frecvență sau lungime de undă a acelei lumini galbene.

deci, trimiterea luminii rezonante într-un condens, este deosebit de periculoasă, dar și deosebit de interesantă, deoarece veți obține o interacțiune foarte puternică. De exemplu, fotonii de sodiu vor absorbi lumina din acest fascicul foarte eficient, dar exact asta e situația periculoasă pentru că aici avem acești atomi super-răciți și dacă atomul din acel nor Atomic a absorbit un singur foton, este suficient ca, din acea absorbție a unui singur foton, atomul să primească o mică lovitură și apoi să fie practic dat afară din norul atomic, din condens, și îl pierdem. De fapt, când va ieși, atomul va începe să lovească în ceilalți atomi și va încălzi totul, iar condensul se va evapora.

dacă începeți să trimiteți lumina laser rezonantă într-un condens, atunci ar trebui să aruncați condensul în afară. De aceea colegii mei au spus: „Ești nebun. E prea periculos.”Chestia este că, pentru că ai această interacțiune foarte dramatică între atomi și lumina laser, ai, de asemenea, o sensibilitate extraordinară în ceea ce privește sondarea acestor condensate, și asta am urmărit și am obținut cu adevărat acest lucru pentru că este într-adevăr o filozofie.

dacă doriți să sondați ceva, sondați-l cât de tare puteți, fără ca acesta să explodeze complet. Deci, nu-l ding un pic; ding o mulțime și apoi un fel de a vedea ce se întâmplă.

intervievator: deci, dacă colegii dvs. nu credeau că va funcționa, de ce credeți că va funcționa?

: Am crezut că va funcționa pentru că dacă controlezi parametrii corect, poți folosi această interacțiune dramatică pentru a cerceta foarte, foarte sensibil proprietățile.

a fost un fel de încercare de a sonda condensatele cu acest fascicul laser rezonant pe care am început să-l realizăm, gee, ce se întâmplă dacă nu aveți una, ci două fascicule laser reglate cu precizie, cu proprietățile exacte ale luminii care vin în unghi drept cu lungimile de undă corecte și toate acestea? Dacă aveți două dintre acestea, aceste două pot face împreună lucrurile corecte atomilor astfel încât să puteți încetini lumina până la viteza bicicletei.

vreau să spun, desigur, este un lucru de a avea ideea că ceva ar trebui să funcționeze, dar a fost un lucru cu totul diferit de fapt, să-l să lucreze în laborator. Ați stabilit și l-ați configurat în funcție de modul în care credeți că ar trebui să funcționeze, dar, uau, nu a funcționat așa cum trebuia. Ce ar putea fi greșit aici?

când lucrurile nu funcționau, trebuia să te gândești tot timpul la ce ar trebui să schimb aici? Ce se întâmplă? A fost atât de intens. Aproape că am intrat în duș cu hainele pe mine pentru că ne gândeam la asta tot timpul.

intervievator: dar nu ai renunțat. Ce sa întâmplat în continuare?

LENE: apoi, în cele din urmă, am început să vedem un pic de încetinire. Desigur, asta e ca în mijlocul nopții, ca 4:00 am sau ceva, și sunteți un fel de Uita sub telescop și începe să măsoare impulsuri de lumină aparent au încetinit un pic. Dar apoi, desigur, devenim nervoși. Gee, unul dintre noi a lovit butonul de pe osciloscop? Poate e un artefact. Deci, a trebuit să facem un experiment de control, ceea ce înseamnă că a trebuit să încărcăm atomii în sistem din nou și să-i răcim și să formăm un condens și apoi să trimitem un alt puls de lumină și să încercăm să vedem dacă a încetinit.

întregul proces a durat aproximativ două minute, dar a fost ca cele mai lungi două minute din viața mea, cred. Apoi, în cele din urmă am măsurat că a doua oară și destul de sigur că a fost încetinit. Asta a fost foarte interesant. A fost doar un pic de încetinire, dar a fost ca „cred că avem ceva aici.”Și apoi a fost o chestiune de a continua să împingem și apoi am ajuns la viteza avionului și apoi, aceasta a fost în vara lui ’98, și în acel moment, dintr-o dată, a trebuit să merg la Copenhaga pentru a preda un master class.

nu am vrut să merg, dar am promis că voi preda acea clasă, așa că a trebuit să merg. Îmi amintesc că decolam cu avionul de la Boston la Copenhaga și urmam viteza avionului pe marele ecran de acolo și mă gândeam oh, wow; acum mergem mai repede decât pulsul meu de lumină din laborator. Calculam dacă aș fi trimis un puls de lumină de la Boston în momentul în care am plecat în avion, aș ajunge la Copenhaga cu o oră înainte de pulsul meu de lumină.

deci, practic am fost în Copenhaga pentru săptămâna și apoi s-au grabit înapoi la Cambridge pentru a continua cu experimentele. Apoi, aproximativ o lună sau două mai târziu am început să încetinim lumina până la viteza bicicletei. Îmi amintesc acea noapte. Asta a fost, din nou, în mijlocul nopții și stăteai acolo și ești doar prima persoană din istorie care se află în acest regim al naturii văzând lumina mergând atât de încet. A fost cu adevărat uimitor și un sentiment uimitor și un fel de valoare toată munca grea care a mers înainte de asta.

intervievator: puteți explica mai detaliat oprirea luminii în BEC?

LENE: lumina de oprire a venit după lumina lentă, da. Deci încetinim lumina cu factori de 10100.000.000. Nu vorbim ca 30 la sută într-o fereastră; este un factor de 10100,000,000. Deci, de la 200.000 de mile pe secundă coborâm la 15 mile pe oră și acesta este genul de încetinire.

ceea ce se întâmplă este că, împreună cu încetinirea, pulsul de lumină se comprimă spațial cu același factor în care încetinește. Deci, acum avem un mic nor de aer rece răcit la câteva miliarde de grade peste zero absolut. Este foarte, foarte rece, iar norul are o dimensiune de doar 0,1 milimetri, deci este un nor destul de mic pe care îl ținem în camera de vid.

apoi trimitem pulsul de lumină și pulsul de lumină are o lungime de aproximativ o milă când începe în spațiul liber și apoi începem să-l trimitem în norul nostru Atomic. Ceea ce se întâmplă este că marginea din față va încetini pentru că acum începe să intre în norul atomic, dar marginea din spate este încă în spațiu liber, astfel încât coada este aici, și asta va continua să meargă la viteza normală a luminii. Deci, acum marginea din spate va începe să ajungă până la marginea din față, astfel încât să obțineți acest impuls de lumină pentru a comprima ca un pic de concertare.

așa cum am spus, comprimat de același factor pe care îl încetinim, astfel încât de la o milă la 0,02 milimetri este mai puțin de jumătate de grosime a părului; atât de mic ajunge să fie pulsul de lumină. În acel moment se potrivește total în interiorul norului Atomic, chiar dacă norul atomic este mai mic, pulsul de lumină ajunge să devină și mai mic, astfel încât să se potrivească în interior. Dacă îl lăsăm să se propage, se va propaga foarte, foarte încet la viteza bicicletei prin norul atomic și în cele din urmă va începe să iasă din cealaltă parte.

în acel moment pulsul de lumină va începe să iasă. Marginea frontală decolează, accelerează înapoi și pulsul de lumină se întinde și se termină cu exact aceeași lungime cu care a trebuit să înceapă, aproximativ o milă. Apoi, în cele din urmă, merge mai departe, accelerează înapoi și merge mai departe la viteza normală Mare a luminii, dar odată ce o încetinești și o comprimi și o conține în norul Atomic, pulsul de lumină face de fapt o mică amprentă, ca o mică amprentă holografică în norul Atomic.

deci, schimbă de fapt starea internă a atomilor din condens atunci când formează această amprentă. Această amprentă urmează de-a lungul impulsurilor de lumină pe măsură ce se propagă încet prin norul atomic și acum, când avem chef, putem opri complet acel puls de lumină pentru că este complet conținut în norul atomic și îl putem opri complet, să oprim pulsul de lumină și apoi să ținem amprenta holografică. Apoi, putem îngheța acea amprentă în norul atomic și apoi mai târziu putem decide să transformăm acea hologramă înapoi în lumină. Reînviem pulsul de lumină și îl trimitem ca și cum nu s-ar fi întâmplat nimic.

intervievator: Ce vă motivează în prezent cercetarea?

LENE: Ei bine, practic ceea ce motivează cu adevărat cercetarea noastră acum este că am găsit această metodă prin care putem converti complet lumina în materie și înapoi în lumină fără pierderi de informații. Deci, avem un puls de lumină; putem crea o copie de materie perfectă a acelui puls de lumină cu exact aceleași proprietăți și aceeași formă, același conținut de informații, și nu există altă cale prin care să poți face asta.

ceea ce ne permite să facem acum înainte este că putem începe să creăm ceea ce se numește, de exemplu, rețele cuantice. Este un fel de analog mecanic cuantic al informației, comunicarea optică, rețeaua de fibră optică pe care o cunoaștem astăzi unde ne place să trimitem date în fibre optice, unde mari de date și toate acestea și să le descărcăm pe computerele noastre. Dar există un fel cu totul diferit de a face acest lucru în care putem începe să trimitem stări cuantice de lumină în jurul fibrelor optice.

în acest scop, lumina funcționează excelent. Puteți codifica informațiile în lumină și le puteți trimite în informații optice. E grozav pentru transport, dar problema e că dacă vrei să controlezi informația optică, dacă vrei să schimbi informația sau vrei să o manipulezi sau vrei să o procesezi și vrei să determini unde ar trebui să direcționez această informație, toate astea necesită controlul luminii și asta e starea cuantică a luminii.

de aceea doriți să luați lumina și să o transformați în formă de materie, deoarece în forma materiei o puteți manipula extrem de puternic, ceea ce nu puteți face în timp ce este în formă de lumină. Apoi, în formă de materie, o puteți manipula incredibil de puternic și apoi, odată ce ați terminat, o transformați înapoi în lumină și o trimiteți pe o altă fibră optică. Deci, aceste tipuri de posibilități sunt extrem de interesante și toate deschid un întreg tărâm de posibilități.

intervievator: lumina este utilizată chiar acum pentru a copia și muta date. Cum va diferi manipularea mecanică cuantică a luminii de asta?

: Deci, practic ceea ce faci atunci când în mod normal trimiteți impulsuri de lumină pe o fibră optică este că vin la un router și apoi puteți transforma informațiile optice în semnale electronice. Problema este atunci când faci că pierzi o mare parte din informații. Nu puteți converti toate informațiile din pulsul de lumină în semnale electronice, dar cu metodele pe care le-am dezvoltat puteți lua pulsul de lumină și transforma toate informațiile în materie.

deci, nu există absolut nici o pierdere de informații? Amplitudinea, faza; statistici: câți fotoni am în pulsul de lumină și mecanic cuantic s-ar putea să nu am un număr exact de fotoni. S-ar putea să am 1.000 și apoi, în același timp, am de fapt 1.001 și 1.002 toate în același timp. Această statistică, așa cum o numim, este păstrată atunci când o transformăm în materie. Apoi o putem manipula sub formă de materie și apoi o putem transforma înapoi în lumină, astfel încât să păstrăm toate informațiile. Nu pierdem nimic și pur și simplu nu există altă modalitate de a face acest lucru, deoarece metodele pe care le folosim astăzi pierd o mare parte din informații.

intervievator: Care este diferența din punct de vedere al scării între routerul dvs., routerul condensat Bose-Einstein și un router electronic?

LENE: puteți spune în acest moment că avem o cameră plină de optică și nu este chiar un sistem practic, dar acesta este genul de lucru că, dacă vă mutați într-un fel într-un nou regim, așa începe totul, un sistem prototip mare. Și, desigur, atunci ceea ce s-ar întâmpla, poate, este ai spune bine, gee pot folosi acest lucru pentru o anumită aplicație.

am putea face un sistem mult mai practic care să poată face exact acest lucru? Atunci ai spune bine, da, poate putem. Apoi ați spune pe ce proprietăți ar trebui să ne concentrăm, pe care ar trebui să le optimizăm? Apoi ați încerca să creați un sistem practic în jurul acestui set de criterii de proiectare. Asta ar putea fi ceva de genul implementării experimentului pe care îl avem cu nanostructuri mici, cum ar fi structurile integrate cu cip la temperatura camerei. Aceasta este cu siguranță o posibilitate interesantă.

intervievator: deci încerci să calculezi informația fără să distrugi ciudățenia mecanicii cuantice?

LENE: Da! Asta e corect, exact. Ai putea spune că încercăm să facem un computer. Din ce constă un computer? Un computer este format din două ingrediente principale. Are o memorie și are un procesor. Deci, trebuie să putem stoca și păstra informațiile optice fără a distruge nicio informație și, în același timp, trebuie să o putem procesa și schimba într-un mod controlat.

vrem să facem ambele și cu aceste ultime rezultate în care transformăm lumina într-o copie a materiei și apoi putem începe să schimbăm copia materiei și apoi să o transformăm înapoi în lumină, putem crea un proces de informații optice în care nu distrugem niciuna dintre informațiile cuantice din impulsurile de lumină. Le păstrăm în forma sa de materie și apoi le procesăm și apoi le transformăm înapoi în lumină.

intervievator: unde ne aflăm când vine vorba de condensarea Bose-Einstein și manipularea luminii? Suntem chiar la începutul acestui lucru?

LENE: Da. Cred că am văzut doar vârful aisbergului pentru că ceea ce este cu adevărat interesant este că pentru prima dată aveți lumină pe care o puteți transforma în formă de materie fără pierderi de informații. Lumina este fantastică pentru codificarea informațiilor și transportul acestor informații. Dar odată ce ai informația luminii pe care o transformi în formă de materie, ai metode de procesare extrem de puternice.

atunci puteți începe să manipulați, să procesați informațiile și, odată ce ați terminat procesarea, le transformați înapoi în lumină. Acesta este un set extrem de puternic și absolut unic. Nu există altă cale prin care să puteți transforma lumina în materie și înapoi în lumină și să faceți procesarea între ele și să faceți totul pe stări clasice de lumină, stări cuantice de lumină. Este extrem de puternic.

acesta este un sistem complet nou în care avem niște paradigme absolut noi pe care le putem urmări. Suntem doar la începutul acestui set foarte interesant de posibilități în acest domeniu cu totul nou.