Одноатомный коммутатор света

С помощью всего лишь одного атома свет может переключаться между двумя оптоволоконными кабелями. Такой переключатель позволяет использовать квантовые явления для информационных и коммуникационных технологий.

Оптоволоконный кабель превращается в квантовую лабораторию: ученые пытаются построить оптический переключатель в минимально возможном масштабе с целью манипулирования светом. В Венском технологическом университете сейчас можно делать это с помощью одного атома. Обычные кабели из стекловолокна, которые используются для передачи данных, могут быть соединены для передачи данных с помощью крошечных квантовых систем.

Проф. Арно Раушенбойтель (Arno Rauschenbeutel) и его команда в Венском технологическом университете захватывает свет в так называемый «бутылочный резонатор». На поверхности этих изогнутых стеклянных объектов свет движется по кругу. Если такой резонатор размещается в непосредственной близости от стекловолокна, несущего свет, две системы связываются, и свет может переходить из стекловолокна в бутылочный резонатор.

«Когда длина окружности резонатора совпадает с длиной волны света, мы можем ответвить 100 % света от стекловолокна в бутылочный резонатор, и оттуда он может двигаться во второе стекловолокно», - объяснил проф. Раушенбойтель.

Эта система, состоящая из входящего волокна, резонатора и исходящего волокна, чрезвычайно чувствительна. «Когда мы берем один атом рубидия и приводим его в контакт с резонатором, поведение системы может резко измениться», - говорит проф. Раушенбойтель. Если свет находится в резонансе с атомом, можно даже удержать весь свет во входящем стекловолокне и ничего не передать резонатору и исходящему стекловолокну. Атом, таким образом, действует как переключатель, который перенаправляет свет в то или иное волокно.

На следующем этапе, ученые планируют использовать тот факт, что атом рубидия может находиться в различных квантовых состояниях, при этом только одно из них взаимодействует с резонатором. Если атом находится в невзаимодействующем квантовом состоянии, свет ведет себя так, как если бы атома не было. Таким образом, в зависимости от квантового состояния атома, свет направляется в любое из двух стекловолокон. Это открывает возможность использовать некоторые из самых замечательных свойств квантовой механики – суперпозицию состояний. Атом может быть подготовлен таким образом, что он находится в двух состояниях переключателя одновременно. Как следствие, состояние «свет» и «нет света» одновременно присутствуют в каждом из двух оптоволоконных кабелей.

«Будет интересно протестировать, будут ли такие суперпозиции возможны с более сильными световыми импульсами. Где-то мы обязательно столкнемся с пересечением между квантовой и классической физикой», - сказал проф. Раушенбойтель.

Этот переключатель света является новым мощным инструментом для квантовой информации и квантовой связи. «Мы планируем детерминировано создать квантовое зацепление между светом и веществом, - сказал проф. Раушенбойтель. - Для этого нам больше не будут нужны какие-либо экзотические установки, которые можно найти только в лабораториях. Вместо этого, мы можем теперь сделать это с обычным оптоволокном, которое доступно во всем мире».

Квантовый переключатель света может находиться в обоих возможных состояниях одновременно