intervjuare: Hur blev du intresserad av fysik?

LENE: Tja, jag tror att mitt första intresse var på något sätt i matematik som går tillbaka, tror jag, till första klass och jag hade en fantastisk matematiklärare. Jag tror att ha en bra lärare som verkligen får dig intresserad av ett ämne är super, super viktigt.

sedan, när jag gick in på universitetet, slutade jag studera lite matematik och fysik och inledningsvis i mina studier trodde jag att jag skulle bli matematiker tills jag började lära mig om kvantmekanik. Det förändrade verkligen mitt intresse. Jag tyckte att kvantmekanik var helt fascinerande.

intervjuare: vad var det med kvantmekanik som du tyckte var så övertygande?

LENE: det finns mycket icke-intuitiva fenomen i kvantmekanik som är precis som konstiga. Det är som gör naturen verkligen beter sig så här? Sedan var det också att jag hade detta intresse för matematik och det faktum att du kan använda mycket matematiska verktyg för att ta reda på vilka tillåtna energinivåer för en elektron i en väteatom, till exempel.

det här ser ut som ren matematik. Kan naturen uppträda på detta sätt? Detta verkar inte vara fullt möjligt men ändå finns det experiment som att titta på spektrumet, till exempel strålningsspektrumet, den typ av ljus som väte kommer att skicka ut. Det verkade verkligen tyda på att det måste finnas något med dessa tankar.

så, även om det verkade som ren matematik, verkade det som om naturen verkligen uppförde sig på det sättet. Och sedan fanns det dessa galna, icke-intuitiva fenomen. Vi vet vid varje tidpunkt att en partikel har en viss precision och en viss hastighet, men nu börjar vi få den här tanken att partikeln kanske är den här vågliknande ljusstrålen och den kan vara här eller det kan faktiskt också vara där och det är faktiskt typ av båda platserna samtidigt. Som jag trodde var som, wow; det är ganska fantastiskt.

intervjuare: finns det ett enkelt sätt att förklara hur du stoppar ljuset?

LENE: Tja, i grund och botten tycker jag att ljus är helt fascinerande och det finns inget som går snabbare än ljus och ljus reser nästan 200 000 miles per sekund. Det är ganska häpnadsväckande och det finns verkligen inget som går snabbare det ljuset. Om du börjar skicka ljus genom ett fönster – en bit glas, glas har ett brytningsindex, och det tenderar att sakta ner ljuset bara lite.

hela tanken med ett brytningsindex är tanken Varför linser fungerar, varför ögonglasögon fungerar, att du har ett brytningsindex för material. I glas är det lite högre än vad det är i ledigt utrymme, i vakuum eller i luft. Så, i grund och botten vad som händer är när vi skickar ljus genom en bit glas, kommer det att finnas en massa elektroner och molekyler i att göra upp glaset och vad ljusstrålen gör är att det börjar få dessa elektroner i vibrationer.

nu, det faktum att dessa elektroner kommer in i vibrationer kommer de själva att utstråla lite ljus eftersom de börjar fungera som små antenner. Ljuset som de skickar ut kommer att lägga ihop med det ljus som du skickar in i fönstret, så den huvudsakliga effekten av allt detta kommer att vara att ljuset saktar ner lite när det går igenom en bit glas precis som 30 procent eller så, inte så mycket.

så i vårt labb började vi få dessa tankar att vi kanske kan börja få ljus att gå riktigt långsamt, så långsamt att du kan slå det på en cykel. Hela den här tanken har alltid fascinerat mig helt för att det inte finns något som går snabbare än ljuset och om du på något sätt kan kontrollera det, tämja det, i den utsträckning du kan få ner det på en mänsklig skala så att du kan slå det på en cykel, jag bara att det här är fantastiskt.

intervjuare: så stoppar du ljuset genom att öka brytningsindexet?

LENE: om du börjar vrida detta brytningsindex mer och mer för att sakta ner ljuset, i mediet kommer det att hända att du kommer att reflektera allt ljus från mediet innan det ens går in. Vad du kommer att göra på det sättet är bara att skapa världens bästa spegel. Det är inte särskilt intressant, så vi måste göra något helt annat och vi skapar faktiskt inte ett mycket stort brytningsindex. Det är förvirrande för många människor eftersom de tror att det är vad vi gör.

i glas saktar du delvis ner det lite eftersom brytningsindexet är lite högre än vad det är i ledigt utrymme, och det betyder att du också reflekterar ljuset från mediet innan det ens kommer in där. Dessutom har du också absorption av ljus i mediet och vad det betyder är att mängden ljus som faktiskt kommer in i mediet, du kommer inte att få allt ut på andra sidan eftersom en del av det kommer att absorberas, gobbled upp, av mediet.

hur det blir gobbled upp är det går in i värme i mediet; det kommer att värma glaset lite och du kommer aldrig att få den värmen tillbaka till ljus. Du kommer aldrig att lägga till den igen till din ljuspuls.

intervjuare: hur är det då möjligt att stoppa ljuset, är det inte en galen ide?

LENE: Ja. Det var precis vad mina kollegor sa. De sa, Är du inte galen? I grund och botten parafraserar jag. Saken är att jag ursprungligen verkligen dör för att få händerna på ett kondensat eftersom det här var ett helt nytt tillstånd av materia som förväntas vara ett supervätsketillstånd av materia. Jag ville bara få tag på detta; jag var nyfiken på att börja peka på det och se hur det skulle reagera. Vilka typer av egenskaper har den?

det bästa jag kunde tänka på var att skicka ljus in i detta kondensat och ljus som är särskilt typ av dramatiskt att skicka in, nämligen ljus som har en våglängd eller frekvens som är inställd mycket exakt så att den matchar atomernas speciella karakteristiska frekvens. När du får detta kallas det en resonans tillstånd. När du har fått det resonansförhållandet får du en mycket stark interaktion mellan atom och laserljus.

vi kyler och skapar kondensat av natriumatomer och vad vi gör är att vi skickar in ett laserljus med en våglängd så att ljuset är gult, så ungefär 589 nanometer, så det är ett slags gult ljus som från natriumgatan lampor. Den våglängden är sådan att den exakt matchar den karakteristiska frekvensen hos natriumatomerna. Så, till exempel, natrium kommer att absorbera mycket ljus om vi skickar in ljus med den specifika frekvensen eller våglängden, av det gula ljuset.

så, att skicka resonansljus till ett kondensat, det är särskilt farligt men också särskilt intressant eftersom du får en mycket stark interaktion. Till exempel kommer natriumfotoner att absorbera ljus ur denna stråle mycket effektivt, men det är exakt den farliga situationen att vara i för här har du dessa superkylda atomer och om atomen i det atommolnet bara absorberade en enda foton räcker det att, från den enda fotonabsorptionen, att atomen kommer att få en liten spark och sedan i princip sparkas direkt ut ur atommolnet, ut ur kondensatet, och vi förlorar det bara. Faktiskt, på väg ut kommer atomen att börja slå in i de andra atomerna och faktiskt värma hela saken och hela kondensatet kommer bara att förångas.

om du börjar skicka resonanslaserljuset till ett kondensat bör du bara blåsa kondensatet isär. Det är därför mina kollegor sa, ” Du är galen. Det här är för farligt.”Saken är att för att du får denna mycket dramatiska interaktion mellan atomer och laserljus har du också en enorm känslighet när det gäller att undersöka dessa kondensat, och det var vad jag var ute efter och verkligen fick det här eftersom det verkligen är en filosofi.

om du vill Sondra något, sondera det så hårt du kan utan att det helt blåser isär. Så, inte ding det lite; ding det en hel del och sedan slags se vad som händer.

intervjuare: så om dina kollegor inte trodde att det skulle fungera, varför trodde du att det skulle fungera?

LENE: Jag trodde att det skulle fungera, för om du kontrollerar parametrarna korrekt kan du använda denna mycket dramatiska interaktion för att mycket, mycket noggrant undersöka egenskaperna.

det var typ av i denna process att försöka Sondra kondensat med denna resonanslaserstråle som vi började inse, vad händer om du inte har en utan två exakt inställda laserstrålar med de exakta ljusegenskaperna som kommer in i rät vinkel med rätt våglängder och allt detta? Om du har två av dem, dessa två kan Typ av tillsammans göra rätt saker att atomerna så att du faktiskt skulle kunna bromsa ljus ner till cykelhastighet.

jag menar naturligtvis att det är en sak att ha tanken på att något ska fungera men det var en helt annan sak att faktiskt få det att fungera i labbet. Du ställer ut och du ställer in det enligt hur du tycker att det borde fungera men wow, det fungerade inte riktigt som det var tänkt att. Vad kan vara fel här?

när saker inte fungerade var du verkligen tvungen att tänka på hela tiden vad ska jag ändra här? Vad händer? Det var så intensivt. Jag gick nästan in i duschen med mina kläder på eftersom vi bara tänkte på det hela tiden.

intervjuare: men du gav inte upp. Vad hände sen?

LENE: så småningom började vi se lite avmattning. Självklart, det är som mitt på natten, tycka om 4:00 am eller något, och du tittar typ under ditt teleskop och börjar mäta ljuspulser som verkar ha saktat ner lite. Men då blir vi naturligtvis nervösa. Gee, stötte en av oss på ratten på oscilloskopet? Kanske är det en artefakt. Så vi var tvungna att göra ett kontrollexperiment, så det betyder att vi var tvungna att ladda atomerna i systemet igen och kyla ner dem och bilda ett kondensat och sedan skicka in en annan ljuspuls och försöka se om det saktade ner.

hela processen tog ungefär två minuter men det var som de längsta två minuterna i mitt liv, tror jag. Sedan mätte vi så småningom att en andra gång och säker nog saktades det ner. Det var verkligen spännande. Det var bara lite avmattning men det var som ”jag tror att vi har något här.”Och då var det en fråga om att bara fortsätta trycka och sedan fick vi ner det till flygplanets hastighet och då var det sommaren” 98, och då var jag plötsligt tvungen att åka till Köpenhamn för att undervisa en mästarklass.

jag ville inte gå men jag hade lovat att undervisa den klassen så jag var tvungen att gå. Jag minns att jag tog fart i flygplanet från Boston till Köpenhamn och följde flygplanets hastighet på storskärmen där och tänkte Åh, wow; nu går vi snabbare än min ljuspuls i labbet. Jag beräknade om jag hade skickat en ljuspuls från Boston när jag lämnade i flygplanet skulle jag anlända till Köpenhamn en timme före min ljuspuls.

så i princip var jag i Köpenhamn för veckan och rusade sedan tillbaka till Cambridge för att fortsätta med experimenten. Sedan, ungefär en månad eller två senare började vi sakta ner ljuset till cykelhastigheten. Jag minns den kvällen. Det var, igen, mitt i natten och du satt bara där och du är bara den första personen i historien som befinner sig i denna naturregim och ser ljuset gå så långsamt. Det var verkligen fantastiskt och en fantastisk känsla och typ av värt allt det hårda arbete som hade gått före det.

intervjuare: kan du förklara mer detaljerat stoppet av ljus i BEC?

LENE: stoppljuset kom efter det långsamma ljuset, ja. Så vi saktar ner ljuset av faktorer av 10100,000,000. Vi pratar inte som 30 procent i ett fönster; det är en faktor på 10100.000.000. Så, från 200 000 miles per sekund går vi ner till 15 miles i timmen och det är den typ av sakta ner.

vad som händer är att tillsammans med sakta ner ljuspulsen också rumsligt komprimerar med samma faktor som den saktar ner. Så nu har vi ett pyttelitet, weenie litet moln av kall luft kyld till några miljarder av en grad över absolut noll. Det är verkligen, riktigt kallt, och molnet är egentligen bara 0,1 millimeter i storlek så det är ett ganska litet moln som vi håller i vakuumkammaren.

sedan skickar vi in ljuspulsen och ljuspulsen är ungefär en mil lång när den börjar i ledigt utrymme och sedan börjar vi skicka den till vårt atommoln. Vad som händer är att framkanten kommer att sakta ner för nu börjar det komma in i atommolnet men bakkanten är fortfarande ute i ledigt utrymme så svansen är här ute, och det kommer att fortsätta med normal ljushastighet. Så nu börjar bakkanten komma upp till framkanten så att du får den här ljuspulsen att komprimera som en liten samordning.

som jag sa komprimeras den av samma faktor som vi saktar ner den så från en mil till 0,02 millimeter är mindre än en halv tjocklek på ett hår; det är så liten ljuspulsen slutar bli. Vid den tiden passar den helt inuti atommolnet, även om atommolnet är mindre blir ljuspulsen ännu mindre så att den passar inuti. Om vi sedan bara låter det sprida sig kommer det att sprida sig mycket, mycket långsamt med cykelhastighet genom atommolnet och så småningom börjar det komma ut på andra sidan.

vid den punkten börjar ljuspulsen att gå ut. Framkanten tar fart, den snabbar tillbaka och ljuspulsen sträcker sig ut och slutar med exakt samma längd som den hade till att börja med, ungefär en mil. Sedan går det så småningom vidare, accelererar tillbaka upp och går vidare med normal hög ljushastighet, men när du har saktat ner och komprimerat och innehållet i atommolnet vad ljuspulsen faktiskt gör är att det gör ett litet avtryck, som ett litet holografiskt avtryck i atommolnet.

så det ändrar faktiskt atomernas inre tillstånd i kondensatet när de bildar detta avtryck. Det avtrycket följer längs ljuspulserna när det långsamt sprids genom atommolnet och nu, när vi känner för det, kan vi faktiskt helt stoppa den ljuspulsen eftersom den är helt innesluten i atommolnet och vi kan bara faktiskt helt stoppa den, stänga av ljuspulsen och sedan bara hålla fast vid det holografiska avtrycket. Sedan kan vi frysa det avtrycket i atommolnet och senare kan vi bestämma oss för att vända hologrammet tillbaka till ljus. Vi återupplivar ljuspulsen och skickar den på som om ingenting hade hänt.

intervjuare: Vad motiverar för närvarande din forskning?

LENE: Tja, det som verkligen motiverar vår forskning nu är att vi har hittat den här metoden genom vilken vi helt kan konvertera ljus till Materia och tillbaka till ljus utan informationsförlust. Så vi har en ljuspuls; vi kan skapa en perfekt Materia kopia av den ljuspulsen med exakt samma egenskaper och samma form, samma informationsinnehåll, och det finns inget annat sätt på vilket du kan göra det.

vad det tillåter oss att göra nu framåt är att vi kan börja skapa det som kallas till exempel kvantnätverk. Det är typ av den kvantmekaniska analogen av informationen, den optiska kommunikationen, det fiberoptiska nätverket som vi känner idag där vi älskar att skicka data runt i optiska fibrer, höga datavågor och allt detta och ladda ner det på våra datorer. Men det finns ett helt annat sätt att göra det där vi kan börja skicka kvanttillstånd av ljus runt i optiska fibrer.

för det ändamålet fungerar ljus bra. Du kan koda information i ljus och skicka ut den i optisk information. Det är bra för transport men problemet är om du vill styra optisk information, om du faktiskt vill ändra informationen eller om du vill manipulera den eller om du vill bearbeta den och du vill bestämma var jag ska dirigera denna information, allt detta kräver kontroll av ljus och det är kvanttillstånd av ljus.

det är därför du vill ta ljus och förvandla det till materieform eftersom du i materieform kan manipulera det extremt kraftfullt vilket du inte kan göra medan det är i ljusform. Sedan, i materieform kan du manipulera det otroligt kraftfullt och sedan när du är klar vänder du den tillbaka till ljus och skickar den ner en annan optisk fiber. Så dessa typer av möjligheter är extremt spännande och allt öppnar upp en hel värld av möjligheter.

intervjuare: ljus används just nu för att kopiera och flytta data. Hur kommer kvantmekanisk ljusmanipulation att skilja sig från det?

LENE: Så, i princip vad du gör när du normalt skickar ljuspulser ner en optisk fiber är de kommer till en router och du kan sedan vända den optiska informationen till elektroniska signaler. Problemet är när du gör att du förlorar en stor del av informationen. Du kan inte konvertera all information som finns i ljuspulsen till elektroniska signaler, men med de metoder som vi har utvecklat kan du ta ljuspulsen och förvandla all information till materia.

så, det finns absolut ingen information förlust? Amplituden, fasen; statistik: hur många fotoner har jag i ljuspulsen och kvantmekaniskt kan jag faktiskt inte ha ett exakt antal fotoner. Jag kan ha 1000 och då har jag faktiskt 1001 och 1002 samtidigt. Den statistiken, som vi kallar den, bevaras när vi förvandlar den till materia. Då kan vi manipulera det i materieform och sedan vända det tillbaka till ljus så att vi bevarar all information. Vi förlorar ingenting och det finns helt enkelt inget annat sätt att göra det eftersom de metoder vi använder idag förlorar en stor del av informationen.

intervjuare: Vad är skillnaden i skala klokt mellan din router, Bose-Einstein kondensat router, och en elektronisk router?

LENE: du kan säga för tillfället att vi har ett rum fullt av optik och det är inte precis ett praktiskt system, men det är den typen av saker som om du flyttar in i en ny regim så börjar allt, ett stort prototypsystem. Och, naturligtvis, vad som skulle hända, kanske, är du skulle säga Väl, gee jag kan använda detta för en viss tillämpning.

kan vi göra ett system som är mycket mer praktiskt som kan göra just detta? Då skulle du säga bra, ja, kanske vi kan. Då skulle du säga vilka egenskaper vi ska fokusera på, vilka ska vi optimera? Då skulle du försöka göra ett praktiskt system kring denna uppsättning designkriterier. Det kan vara något som att implementera experimentet vi har med små nanostrukturer som rumstemperaturchip integrerade strukturer. Det är verkligen en spännande möjlighet.

intervjuare: så du försöker beräkna information utan att förstöra den kvantmekaniska konstigheten?

LENE: Ja! Det är korrekt, exakt. Man kan säga att vi försöker göra en dator. Vad består en dator av? En dator består av två huvudingredienser. Det har ett minne och det har en processor. Så vi måste kunna lagra och hålla fast vid den optiska informationen utan att förstöra någon information och samtidigt måste vi kunna bearbeta och ändra den på ett kontrollerat sätt.

vi vill göra båda och med dessa senaste resultat där vi förvandlar ljus till en materiekopia och sedan kan börja ändra materiekopia och sedan vända den tillbaka till ljus, kan vi skapa en process av optisk information där vi inte förstör någon av kvantinformationen i ljuspulserna. Vi bevarar dem i sin materieform och bearbetar sedan det och förvandlar det sedan till ljus.

intervjuare: var är vi när det gäller Bose-Einstein kondenserar och manipulerar ljus? Är vi i början av detta?

LENE: Ja. Jag tror att vi bara har sett toppen av isberget verkligen för det som verkligen är spännande är att du för första gången har ljus som du kan förvandlas till materieform utan förlust av information. Ljus är fantastiskt för att koda information och transportera den informationen. Men när du väl har den lätta informationen som du förvandlas till materieform har du extremt kraftfulla bearbetningsmetoder.

det är då du kan börja manipulera, bearbeta informationen och när du är klar bearbetar du den tillbaka till ljus. Det är en extremt kraftfull uppsättning och helt unik. Det finns inget annat sätt där du kan förvandla ljus till Materia och tillbaka till ljus och göra bearbetningen däremellan och göra det hela på klassiska tillstånd av ljus, kvanttillstånd av ljus. Det är extremt kraftfullt.

Detta är ett helt nytt system där vi har några helt nya paradigmer som vi kan driva. Vi är precis i början av det, tror jag, mycket spännande uppsättning möjligheter på detta helt nya område.