`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

BEST CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Ловушка для света

+11
голос

Фотоны являются самыми быстрыми и наиболее надежными носителями информации, но задача их локализации и хранения вряд ли относится к числу простых. Ведь масса покоя фотона равна нулю, и он не существует вне движения. Однако недавно ученым удалось провести контрольно-проверочный эксперимент, продемонстрировавший возможность захвата, сохранения и высвобождения возбуждения, вызванного световым импульсом. В частности, импульс света, в свободном пространстве имеющий длину в несколько километров, был сжат до сантиметров и затем преобразован в достаточно устойчивое коллективное возбуждение атомов паров рубидия, а точнее, — в когерентную спиновую волну. Когерентная спиновая волна может быть представлена как упорядоченная структура в ориентации атомов, обусловленная наличием у последних магнитного момента. Такая структура способна существовать достаточно долго.

Ученым удалось через контролируемый отрезок времени обратить процесс и преобразовать атомную когерентность обратно в световой импульс.

Ловушка для света

Обычно при поглощении фотонов атомами переносимая светом информация безвозвратно теряется. Предлагаемый метод «хранения света» позволяет, в принципе, ее сберечь. Базируется он на продемонстрированном недавно эффекте сверхзамедления групповой скорости света в бозе-эйнштейновском конденсате (квантово-механической системе частиц с целым спином и нулевым импульсом) до 50 см/с. Это стало возможным благодаря явлению индуцированной прозрачности, в результате которого снижается степень поглощения света в веществе.

В эксперименте по замедлению групповой скорости света использовалось внешнее световое поле (управляющее), делающее вещество (непрозрачное в его отсутствие) прозрачным. Более слабый, чем управляющее поле, световой сигнал определенной частоты и поляризации распространялся в такой среде без рассеяния и потерь, но со значительно пониженной групповой скоростью. Сопутствующим эффектом явилось значительное пространственное сжатие, в результате которого сигнальный импульс почти полностью локализовался в атомной среде.

Группе из Гарвардского астрофизического центра под руководством Рона Уолсворта (Ron Walsworth) и Михаила Лукина удалось пройти остаток пути, а именно, уменьшить групповую скорость импульса до нуля и сохранить его в виде атомной спиновой волны. Ключевой особенностью метода являлась его недеструктивная природа. В частности, спиновые возбуждения атомов не связаны с возбужденными электронными состояниями, что позволяет избежать спонтанного излучения. Поэтому, в принципе, процесс сохранения света является полностью когерентным, другими словами, и фаза, и квантовое состояние импульса могут быть сохранены. Что касается длительности хранения импульса, то оно практически определяется временем, в течение которого атомная система остается когерентной. Перейдем теперь к описанию эксперимента.

Он выполнялся на парах рубидия при температуре около 70–90 °С, которые находились в 4-сантиметровой стеклянной кювете и были нормально полностью непрозрачными для пучка света слабой интенсивности с длиной волны примерно 795 нм. Управляющий и сигнальный лучи получались с выхода резонаторного диодного лазера с тщательным контролем их поляризации. Управляющий луч, всегда более сильный, чем сигнальный, переводил пары атомов рубидия в состояние индуцированной прозрачности. Сигнальный импульс имел длительность от 10 до 30 мкс, что соответствовало протяженности нескольким километрам. При входе в кювету сигнальный импульс претерпевал пространственное сжатие более чем на пять порядков благодаря уменьшению групповой скорости.

Динамический захват сигнального импульса может быть объяснен следующим образом. Проходя через кювету, свет взаимодействует с атомами рубидия, когерентно изменяя ориентацию их магнитных моментов. В результате образуются поляритоны — квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов и волноподобных спиновых возбуждений (магнонов). Самым замечательным является то, что по мере изменения интенсивности управляющего поля во время прохождения импульса через пары рубидия поляритоны сохраняют свой вид, амплитуду и пространственную протяженность, в то время как групповая скорость и соотношение фотонов с другими компонентами вещества изменились. Например, когда с помощью постепенного выключения управляющего луча удалось уменьшить групповую скорость до нуля, поляритоны стали чисто атомными состояниями, а их распространение прекратилось. Таким образом, характеристики входного импульса отобразились на когерентную атомную систему.

Если после некоторого временного отрезка, в эксперименте составляющего несколько сотен микросекунд, управляющий луч включался снова, то поляритоны ускорялись, и состояние когерентной атомной системы отображалось обратно в свет. Выходящий импульс света имел форму, амплитуду и протяженность пропорциональную степени сохраненной когерентности. Чем меньше время хранения, тем более близкими к начальным были характеристики восстановленного импульса. В реальных условиях время хранения всегда ограничивается временем, за которое атомная система теряет когерентность.

Исследователи из Гарварда считают, что открытый ими способ хранения света найдет широкое применение ввиду простоты его осуществления. Они также предполагают, что эффект может быть реализован и для твердотельных материалов. Конечно, описанный эксперимент является всего лишь демонстрационным, и предстоит еще большая работа, прежде чем появится практическая возможность его использования. Однако не исключено, что в будущем именно этот эксперимент станет основой новых технологий хранения и передачи информации в оптических сетях, средствах связи и между удаленными квантово-механическими системами.

СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ

Начнем с напоминания о том, что магнитные свойства вещества обусловлены наличием у электрона собственного момента количества движения, т. е. спина. У магнетиков при низких температурах спины всех магнитоактивных электронов спонтанно упорядочиваются. Нарушение магнитного порядка (опрокидывание спина) вследствие теплового движения или иной причины не локализуется, а распространяется в виде волны. Спиновые волны, вызванные тепловым движением, имеют несогласованные фазы — являются некогерентными. Однако в магнетиках могут существовать и когерентные спиновые волны, которые, например, возбуждаются при определенных условиях переменным магнитным полем. Когерентная спиновая волна является упорядоченной структурой по отношению к ориентации атомов. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, каждую спиновую волну можно трактовать как квазичастицу. В данном случае такая квазичастица называется магноном.

Защита промышленных сетей: основные риски и сценарии атак

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT