Понятие медленного света, физическая причина уменьшения скорости света в веществе

Взаимодействие "свет-атом" приводит к тому, что поляритон движется как частица, имеющая собсвенную массу (эффективную массу). Одно из объяснений уменьшения скорости света заключается в том, что не имеющие массы фотоны "довешиваются" массивными атомами (образуя поляритоны) и поэтому теряют скорость.

Далее, исследователи остановили сигнальный импульс, постепенно выключая управляющий пучок. При этом все больше атомов "смешивается" со все меньшим количеством фотонов, увеличивая массу поляритонов и уменьшая их скорость. Когда управляющий пучок выключается полностью, поляритоны становятся чисто атомными, лазерный импульс - остановленным. За время хранения эта среда не излучает.

Итак, в кювете не остается фотонов. Энергия света не идет, как это обычно бывает, на "подогрев" атомов. Вместо этого фотоны "тратятся" на формироване атомной спиновой волны, сохраняя в ней всю информацию из сигнального импульса и "ожидая" ее освобождения (т.е. излучения импульса, идентичного начальному).

Другой способ описания замедления света основан на представлении об импульсе как волновом пакете - волне, составленной из многих компонентов с различными частотами (гармоник). Атомы рубидия по-разному преломляют эти компоненты в зависимости от их частоты (явление дисперсии). Зависимость показателя преломления содержимого кюветы от частоты приводит к тому, что групповая скорость (т.е. скорость распространения импульса как целого) существенно падает. Ослабление управляющего пучка приводит к усилению этой зависимости и дальнейшему уменьшению групповой скорости. Оно приводит к уменьшению полосы прозрачности паров рубидия, однако световая волна (а более точно, ее суперпозиция с атомной спиновой волной) продолжает замедляться, сохраняя форму, но уменьшая свою спектральную ширину (количество компонентов) так, чтобы не происходило поглощения. После довольно длительной задержки можно включить управляющий пучок, заставив атомы преобразовать поляритон обратно в свет и излучить точно такой же импульс, что когда-то попал в эту кювету.

Итак, краткое резюме:

(1) длину светового импульса можно уменьшить с километров до сантиметров в соответствующим образом подготовленных парах рубидия;

(2) переносимая светом информация оказывается запечатленной в ансамбле атомов как долгоживущие спиновые волны;

(3) при необходимости световой импульс может быть извлечен из такой ячейки памяти.

Этот метод хранения света удобен, поскольку информация хранится в коллективных атомных спиновых состояниях, которые гораздо более устойчивы по отношению к диссипации и эффектам потери когерентности (вызывающим сбои в квантовых компьютерах), чем возбужденные электронные состояния атомов.

Исследователи из Гарварда полагают, что такой способ хранения света может быть широко использован, и простота его осуществления является большим преимуществом. Они даже предполагают, что этот метод можно использовать в твердотельных материалах. Гарвардский эксперимент, хотя и является пока демонстрационным, тем не менее представляет собой волнующую и обнадеживающую новость для ученых, занимающихся квантовой передачей информации и проблемами ее сохранности. В будущем, возможно, именно этот способ откроет двери перед хранением и передачей информации в квантовых вычислениях и средствах связи. [35]

Уолсворт и Лукин также сообщили, что похожие результаты были недавно получены и группой Хау (Lene Hau) в Гарвардском институте Роуланда (Harvard/Rowland Institute of Science) в сверххолодном атомном газе. Кроме того, сейчас находится в печати теоретическая статья (Kocharavskaya et al., Phys Rev. Lett., 22 January), обсуждающая новую методику, позволяющую не только остановить импульс, но и изменить потом направление его распространения на противоположное. Это явление может быть полезно в прикладной нелинейной оптике.

Эксперимент австралийских ученых с остановленным светом

Разработанная австралийскими учеными квантовая память является на данный момент наиболее эффективной в мире. Это еще один шаг к сверхбыстрым компьютерам и защите информации, обусловленной законами физики. Свет проходит через кристалл в ходе эксперимента с квантовой памятью

Команда из Австралийского Национального Университета (Australia's national university - ANU) использовала разработанную ими инновационную технологию, чтобы «остановить» излучение лазера в кристалле, охлажденном до -270 ?С. Беспрецедентная точность и эффективность системы позволила хранить, обрабатывать и считывать информацию в форме квантов света.

Квантовая память позволяет «перенести» квантовую информацию светового излучения на некоторую материальную систему (в данном случае -монокристалл Y2SiO5 с редкими включениями ионов празеодима) путем изменения её квантового состояния, оставляя возможность считать эту информацию при необходимости. Чтобы обойти принцип неопределенности Гейзенберга и сохранить информацию неповрежденной, необходимо избежать измерения входного состояния.

Для развития квантовых вычислительных систем является важным достижение 50% уровня эффективности хранения информации, тогда как на данный момент самый высокий показатель составил 45%. Исследователи из ANU в своей работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature, показали, что эффективность разработанного ими устройства составляет 69%, и может быть в дальнейшем увеличена за счет изменения геометрических размеров используемого кристалла.

Ключевую роль в хранении информации играли включения в кристалле - ионы редкоземельного металла празеодима, физические свойства которых позволяют долгое время сохранять квантовое состояние, согласованное с другими ионами, что позволяет реализовать принцип когерентной оптической памяти. В качестве кубитов в различных системах хранения квантовой информации могут использоваться не только редкоземельные ионы, «внедренные» в кристаллы, но и частицы атомного пара или охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю, атомного газа.

Информация на выходе полностью повторяла входящую, вплоть до последнего фотона, создавая трехмерную голограмму, которая может быть считана и обработана. Из-за неизбежной неопределенности, обусловленной законами квантовой механики, часть исходящей информации будет потеряна при измерении, поэтому полученную голограмму можно «прочесть» только однажды, что делает данную технологию идеальной с точки зрения информационной безопасности.

Помимо этого, исследователи утверждают, что данное устройство поможет провести некоторые эксперименты в области фундаментальной физики, раскрывающие, например, особенности взаимодействия явления квантовой запутанности с эффектами теории относительности.

«Мы могли бы «запутать» квантовые состояния двух кристаллов, - говорит Метью Селларс (Matthew Sellars), руководитель исследовательской группы. - Согласно квантовой механике, считывание информации, хранящейся в одном кристалле, должно мгновенно повлиять на содержимое другого, как бы далеко они ни находились. Согласно теории относительности, ход времени для кристалла зависит от того, как он перемещается в пространстве. С хорошей квантовой памятью мы могли бы поставить эксперимент [35], демонстрирующий взаимодействие этих фундаментальных эффектов».

Командой д-ра Селларса был проведен эксперимент, в ходе которого им удалось «остановить» свет в кристалле более, чем на секунду, что примерно в 1000 раз превышает достигнутые ранее показатели. Теперь исследователи пытаются объединить различные системы, чтобы достичь максимальной эффективности в сочетании с длительностью хранения информации на протяжении нескольких часов.

Заключение

Оценивая историю «медленного света» в целом, надо прежде всего отделить истинные достижения от мнимых. Снижение групповой скорости света на много порядков величины базируется на открытии способа создания среды с гигантской дисперсией показателя преломления и действительно впечатляет. Но принесет ли что-либо практически полезное этот прорыв -- сказать трудно. Пока можно утверждать, что с точки зрения фундаментальной науки эффект «медленного света» ничего нового не принес, а перспективы его прикладного использования в системах обработки и хранения информации, как уже отмечалось, весьма ограниченны.

Что касается мнимых достижений и безграмотных исследований в области «медленного света», то поражает их количество. Мы не имели возможности сравнить долю недоброкачественных работ по «медленному свету» с соответствующей величиной из другой области «переднего края науки» и надеемся, что нам просто не повезло. Но в нашем случае недоброкачественные исследования доминируют.

В целом для науки последних двух десятилетий характерны массовые увлечения ложными сенсациями. Одну из главных причин этого можно усмотреть в резком и сильном снижении финансирования научных исследований в развитых странах, последовавшем после прекращения «холодной войны». Это обстоятельство взвинтило конкуренцию между учеными в борьбе за гранты, что привело к искушению использовать рекламные приемы для привлечения интереса спонсоров. При этом успешные сенсации способствует созданию корпораций, коллективно продвигающих иногда откровенно сомнительные проекты и коллективно обороняющие их от критики, что делает их практически неуязвимыми. По-видимому, именно эти факторы сыграли не последнюю роль в истории с «медленным светом».

Литература

1. Д.Хечт. Замедляем свет и ускоряем передачу данных. Репортаж с конференции OFC-2006. - Наст. номер, с. 10.

2. R.Boyd et al. Slow Light in Bulk Materials and Optical Fibers. - OFC-2006, OTuA1.

3. L.V.Hau et al. Light speed reduction to 17 m/c in an ultracold atomic gas. - Nature, 1999, 397, p.594.

4. M.Bajcsy et al. - Letters to Nature, 2003, 426, p.638.

5. A.V.Rybin et al. An exact solution of the slow-light problem. - Phys. Review, 2004, Vol.70.

6. Z.Dutton and L.V.Hau. - Phys. Review A, 2004, Vol.70, p.053831.

7. A.B.Matsko et al. Vertically coupled whispering-gallery-mode resonator waveguide. - Optics Letters, 2005, Vol.30, No.22, p.3066.

8. R.Boyd et al. - Phys. Review A, 2005, Vol.71, p.023801.

9. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика / Пер. с англ. под ред. П.В.Мамышева. - М.: Мир, 1996. - 324 с.

10. Y.Okawachi et al. Tunable all-optical delays via Brillouin slow light in an optical fiber. - Phys. Review Letters, 2005, Vol.94, p.153902.

11. K.Song et al. Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers using stimulated Brillouin scattering. - Optics Express, 2005, Vol.13, No.1, p.82.

12. Слепов Н. Семинар компании Corning в Москве. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №5, с.86-87.

13. J.Sharping et al. Wide bandwidth slow light using a Raman fiber amplifier. - Optics Express, 2005, Vol.13, No.16, p.6092.

14. K.Lee and N.M.Lawandy. Optically induced pulse delay in a solid-state Raman amplifier. - Appl. Phys. Letters, 2001, Vol.78, p.703.

15. С.Xu et al. Opt. Express, 2004, Vol.12, No.20, p.4790.

16. J.Sharping et al. All-optical, wavelength and bandwidth preserving, pulse delay based on parametric wavelength conversion and dispersion. - Optics Express, 2005, Vol.13, No.20, p.7872.

17. J. van Howe and C.Xu. Ultrafast optical delay line by use of a time-prism pair. - Optics Letters, 2005, Vol.30, No.1, p.99.

18. J. van Howe and C.Xu. Ultrafast optical delay line using soliton propagation between a time-prism pair. - Optics Express, 2005, Vol.13, No.4, p.1138.

19. M.S.Bigelow et al. Observation of ultraslow light propagation in a ruby crystal at room temperature. - Phys. Review Letters, 2003, Vol.90, p.113903.

20. M.S.Bigelow et al. Superluminal and slow light propagation in a room temperature solid. - Science, 2003, Vol.301, p.200.

21. Mike van der Poel et al. Controllable delay of ultrashort pulses in a quantum dot optical amplifier. - Optics Express, 2005, Vol.13, No.20, p.8032.

22. A.Schweinsberg et al. Observation of superluminal and slow light propagation in erbium-doped optical fiber. - Europhysics Letters, 2006, Vol.73, No.2, p.218.

23. D. F. Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, and R. L. Walsworth. Storage of Light in Atomic Vapor // Physical Review Letters, v. 86, p. 783-786 (2001).

24. Hau L.V., Harris S.E., Dutton Z., Behroozi C.H. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas // Nature, v. 397, p. 594-598 (1999).

25. Е. Б. Александров и В. С. Запасский. Легенда об остановленном свете // «Успехи физических наук», т. 174, №10, с. 1105-1108 (2004).

26. Е. Б. Александров и В. С. Запасский. В погоне за «медленным светом» // «Успехи физических наук», т. 176, №10, с. 1093-1102 (2006).

27. Harris S.E. Electromagnetically Induced Transparency // Physics Today, v. 50 (7), 36 (1997)

28. Козлов Г.Г., Александров Е.Б. и Запасский B.C. «Оптика и спектроскопия», т. 97, 969 (2004).

29. М. S. Bigelow, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd. Observation of Ultraslow Light Propagation in a Ruby Crystal at Room Temperature // Physical Review Letters, v. 90, 113903 (2003).

30. Selden A.C. Pulse transmission through a saturable absorber // British Journal of Applied Physics, v. 18, p. 743-748 (1967).

31. В. С. Запасский и Г. Ш. Козлов. «Оптика и спектроскопия», т. 104, 000 (2008).

32. Wu P, Rao D.V.G.L.N. Controllable Snail-Paced Light in Biological Bacteriorhodopsin Thin Film // Physical Review Letters, v. 95, 253601 (2005).

33. В. С. Запасский и Г. Г. Козлов. «Оптика и спектроскопия», т. 100, 461 (2006).

34. Phillips et al., Physics Review Letters, 29 January, 2001. Physics News Update, N521, 18 января 2001

35. сайт ANU news http://news.anu.edu.au/?p=2216

Размещено на Allbest.ru