Net als in het normale wegverkeer, kruisingen zijn onmisbaar bij optische signaalverwerking. Om aanrijdingen te voorkomen, een duidelijke verkeersregel is vereist. Aan de TU Wien is nu een nieuwe methode ontwikkeld om zo'n regel voor lichtsignalen te geven. Voor dit doeleinde, de twee glasvezels waren op hun snijpunt gekoppeld aan een optische resonator, waarin het licht circuleert en zich gedraagt ​​als op een rotonde. De circulatierichting wordt bepaald door een enkel atoom gekoppeld aan de resonator. Het atoom zorgt er ook voor dat het licht altijd de rotonde verlaat bij de volgende afslag. Deze regel is nog steeds geldig, zelfs als het licht alleen uit individuele fotonen bestaat. Zo'n rotonde wordt dan ook ingebouwd in geïntegreerde optische chips - een belangrijke stap voor optische signaalverwerking.

Signaalverwerking met behulp van licht in plaats van elektronica

De term "optische circulatiepompen" verwijst naar elementen op het snijpunt van twee onderling loodrechte optische vezels die lichtsignalen van de ene vezel naar de andere leiden, zodat de richting van het licht altijd verandert, bijvoorbeeld, met 90° met de klok mee.

"Deze componenten worden al lang gebruikt voor het vrij verspreiden van lichtstralen, " zegt Arno Rauschenbeutel van het Vienna Center for Quantum Science and Technology aan het Institute of Atomic and Subatomic Physics van de TU Wien. "Dergelijke optische circulatoren zijn meestal gebaseerd op het zogenaamde Faraday-effect:een sterk magnetisch veld wordt toegepast op een transparant materiaal , die zich tussen twee polarisatiebundelsplitsers bevindt die ten opzichte van elkaar zijn geroteerd. De richting van het magnetische veld doorbreekt de symmetrie en bepaalt in welke richting het licht wordt gestuurd."

Echter, om technische redenen, componenten die gebruik maken van het Faraday-effect zijn op kleine schaal van nanotechnologie niet realiseerbaar. Dit is jammer, aangezien dergelijke componenten belangrijk zijn voor toekomstige technologische toepassingen. "Vandaag, we proberen optische geïntegreerde schakelingen te bouwen met vergelijkbare functies als ze bekend zijn uit de elektronica, ", zegt Rauschenbeutel. Andere methoden om de symmetrie van het licht te doorbreken, werken alleen bij zeer hoge lichtintensiteiten of lijden aan hoge optische verliezen. in nanotechnologie zou men heel kleine lichtsignalen willen kunnen verwerken, idealiter lichtpulsen die uitsluitend uit individuele fotonen bestaan.

Twee glasvezels en een fles voor licht

Het team van Arno Rauschenbeutel kiest een heel andere weg:ze koppelen een enkel rubidiumatoom aan het lichtveld van een zogenaamde "flessenresonator" - een microscopisch bolvormig glazen object op het oppervlak waarvan het licht circuleert. Als zo'n resonator in de buurt van twee ultradunne glasvezels wordt geplaatst, de twee systemen koppelen aan elkaar. Zonder een atoom, het licht gaat via de flessenresonator van de ene glasvezel naar de andere. Op deze manier, echter, er is geen circulatiegevoel gedefinieerd voor de circulatiepomp:licht, die met de klok mee 90° wordt afgebogen, kan ook via dezelfde route achteruit reizen, d.w.z. tegen de klok in.

Om deze voorwaartse/achterwaartse symmetrie te doorbreken, Het team van Arno Rauschenbeutel koppelt bovendien een atoom aan de resonator, die de koppeling van het licht in de resonator verhindert, en dus de overkoppeling in de andere glasvezel voor een van de twee circulatierichtingen. Voor deze truc een bijzondere eigenschap van het licht wordt gebruikt bij TU Wien:de oscillatierichting van de lichtgolf, ook wel polarisatie genoemd.

De interactie tussen de lichtgolf en de flessenresonator resulteert in een ongebruikelijke oscillatietoestand. "De polarisatie draait als de rotor van een helikopter, " legt Arno Rauschenbeutel uit. De draairichting hangt af van of het licht in de resonator met de klok mee of tegen de klok in beweegt:in één geval draait de polarisatie tegen de klok in, terwijl het in het andere geval met de klok mee draait. De circulatierichting en de polarisatie van het licht zijn dus aan elkaar vergrendeld.

Als het rubidiumatoom correct is voorbereid en gekoppeld aan de resonator, men kan zijn interactie met het licht voor de twee circulatierichtingen verschillend maken. "Het met de klok mee circulerende licht wordt niet beïnvloed door het atoom. Het licht in de tegenovergestelde richting, anderzijds, koppelt sterk aan het atoom en kan daarom niet in de resonator, ", zegt Arno Rauschenbeutel. Deze asymmetrie van de licht-atoomkoppeling met betrekking tot de voortplantingsrichting van het licht in de resonator maakt controle over de werking van de circulatiepomp mogelijk:het gewenste circulatiegevoel kan worden aangepast via de interne toestand van het atoom.

"Omdat we maar één atoom gebruiken, we kunnen het proces subtiel controleren, ", zegt Rauschenbeutel. "Het atoom kan worden geprepareerd in een toestand waarin beide verkeersregels tegelijkertijd gelden:alle lichtdeeltjes reizen dan samen door de circulator, zowel met de klok mee als tegen de klok in." dit is onmogelijk volgens de regels van de klassieke natuurkunde, omdat dit tot chaos in het wegverkeer zou leiden. In de kwantumfysica echter, dergelijke superposities van verschillende toestanden zijn toegestaan, wat geheel nieuwe en opwindende mogelijkheden opent voor de optische verwerking van kwantuminformatie.