Los científicos de MPQ observan fenómenos de interferencia inusuales al dispersar la luz láser de dos átomos atrapados dentro de un resonador óptico.
La investigación y explotación de la interacción de materia de luz en resonadores ópticos es uno de los temas centrales de investigación en la División de Dinámica Cuántica del Profesor Gerhard Rempe, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching. Hace un par de años,El equipo logró crear emisores de un solo fotón utilizando átomos individuales almacenados en resonadores ópticos. Los átomos estacionarios pueden, por ejemplo, servir como nodos para el intercambio de información cuántica en una red cuántica de larga distancia.
Ahora, los científicos fueron un paso más allá. Atraparon un par de átomos con posiciones relativas bien definidas en dicho resonador y dispersaron la luz de esta "doble rendija". Observaron fenómenos de interferencia que contradicen la intuición bien establecida. Estos resultadosfueron habilitados por el desarrollo de una técnica que permite el control de posición de los átomos con una precisión muy por debajo de la longitud de onda de la luz dispersa. Una motivación para este experimento es comprender mejor los aspectos fundamentales de la electrodinámica cuántica de la cavidad. Además, la técnica allana elforma de estudiar nuevos conceptos de generación de entrelazamiento entre bits cuánticos y, por lo tanto, abre nuevas perspectivas para el procesamiento de información cuántica
El elemento clave de la configuración experimental es un resonador óptico que consta de dos espejos altamente reflectantes separados por 0,5 mm. Dentro de la cavidad, se genera una red reticular llamada cruzando dos rayos láser retro-reflejados, uno ortogonal orientadohacia y el otro a lo largo del eje del resonador. El patrón de luz resultante de puntos brillantes y oscuros se asemeja a un tablero de damas con un período de aproximadamente medio micrómetro. Estos puntos definen sitios de red en los que los átomos pueden quedar atrapados y donde se localizan aproximadamente25 nanómetros.
Al principio, un par de átomos de rubidio, preenfriados a temperaturas muy bajas, se cargan en la red óptica. Al detectar su luz de fluorescencia a través de un objetivo de microscopio de alta resolución, los átomos se pueden identificar como puntos de luz individuales.posteriormente se eliminó calentándolos individualmente con un rayo láser resonante, hasta que solo quede un par de átomos con el espacio deseado ". Esta es la" doble rendija "desde la cual se dispersa la luz láser resonante, que se propaga transversalmente a través del resonador,"explica Andreas Neuzner, quien realizó este experimento como parte de sus estudios de doctorado.
"La interferencia solo puede observarse si la relación de fase entre las dos fuentes de luz es fija", explica el Dr. Stephan Ritter, otro científico del experimento. "Para investigar la interferencia en función de la fase, tenemos queconocer la posición de los átomos con una precisión muy por debajo de la longitud de onda de 780 nanómetros ". Aunque la resolución del sistema de imágenes limita el tamaño de las imágenes de los átomos a 1.3 micrómetros, los científicos pueden localizar los átomos emisores con una precisión de 70 nanómetros ypor lo tanto, puede asignar su posición a un sitio de red particular. Por lo tanto, la distancia entre dos átomos, típicamente aproximadamente 10 micrómetros, se conoce con precisión.
El resonador favorece la emisión a lo largo de su eje y mejora la interacción entre los átomos y la luz dispersa, que se refleja varias veces entre los espejos. La potencia de la luz que se filtra a través de uno de los espejos, es decir, la tasa de fotones se registra comouna función de la fase relativa de los dos átomos.
El patrón de interferencia observado muestra varias características intrigantes que no se esperan en la imagen más simple de dos dipolos clásicos en el espacio libre. Primero, en el caso de interferencia en fase constructiva, la intensidad es solo un factor de 1.3 mayor quela tasa observada para un solo átomo, mientras que se espera una señal cuatro veces mayor para la imagen más simple. Este fenómeno se remonta a los diversos campos de luz dentro del resonador que deben tenerse en cuenta. A diferencia del experimento clásico de doble rendija,no solo importa la relación de fase entre las ondas de luz dispersas, sino que es la superposición de la luz dispersa con el campo de luz del resonador lo que al final conduce a una reducción de intensidad en los máximos de campo.
La segunda característica ocurre para la interferencia fuera de fase destructiva. Aquí, la tasa de fotones cae por debajo del valor medido para un solo átomo, pero no llega a cero como cabría esperar intuitivamente. Sorprendentemente, fluctuaciones de intensidad extremadamente fuertesse observan los llamados agrupamientos de fotones. "Este fenómeno surge, porque en el caso de interferencia destructiva, los átomos pueden emitir fotones solo por pares y al mismo tiempo en el resonador", explica Andreas Neuzner.
"En este experimento hemos combinado tres técnicas clave por primera vez: utilizando una red óptica, posicionamos los átomos con alta precisión y luego los localizamos con un microscopio de alta resolución. La interacción con el resonador permite la detección directa dedispersa la luz ", dice Stephan Ritter." Las técnicas recientemente desarrolladas son esenciales para futuros experimentos con el objetivo de explorar los efectos de la radiación colectiva predichos para sistemas de múltiples átomos ", resume el profesor Gerhard Rempe." Por otro lado, ofrecen la posibilidad de implementarprotocolos novedosos para el procesamiento de información cuántica con varios bits cuánticos "
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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