Kontrolleret kvanteglimt

Transkript

1 Kontrolleret kvanteglimt Lagring og sekventiel udlæsning af lys i en diamant Projekt Forskerspirer 2012 Naturvidenskab Greta Tuckute

2 Indholdsfortegnelse Indledning...3 Projektets formål/problemformulering...3 Metode lagring af lys ved brug af EIT...3 Anvendelse af en diamant...5 Udførelse af forsøg og fremgangsmåde...6 Videre arbejde...10 Projektets formål og relevans...10 Realisering af projekt...11 Kontakter...12 Referencer...12 Bilag 1 budget

3 Indledning Kvantemekanikken beskæftiger sig med stoffers egenskaber på atomart niveau, hvor den klassiske fysik ikke længere rækker. Specielle kvantefysiske egenskaber som entanglement 1, superposition 2 og tillæggelsen af bølge- og partikelegenskaber til stof danner grundlag for forskning i ny teknologi. I de næste årtier kan man forvente et hastigt stigende behov for lagring af information. I stedet for at lagre information specifikke steder som eksempelvis i nuværende computerhukommelser, er der mange fordele ved at lagre information holografisk i atomers kollektive tilstande [2]. Arbejde med lagring af lyspartikler i forskellige medier åbner op for nye muligheder inden for kvantehukommelser. Tidligere forskning på området indebærer lagring af lys kvantetilstande i medier som eksempelvis atomare gasser, krystaller og diamanter [3]. Disse kvantehukommelser er vigtige elementer i både optisk kommunikation, dataopbevaring og bearbejdning af kvanteinformation til eksempelvis kvantecomputere. Projektets formål/problemformulering Undersøge om lys kan lagres og kontrolleret udlæses i mindre efterpulser med brug af en diamant som klassisk hukommelse for lysfelter. Metode lagring af lys ved brug af EIT Elektromagnetisk induceret gennemsigtighed (EIT) 3 er den proces, der danner grundlag for standsning af lyset udført af den danske forsker Lene Hau og hendes forskerteam på Rowland Institute for Science i Massachussets i USA. Her lykkedes det i 2001 at stoppe lyset fuldstændigt i en ultrakold sky af natrium-atomer og derefter udlæse det igen vha. koblingslasere [5]. Her overføres kvantetilstande fra flyvende fotoner til et stofbaseret system, hvor lagring og processing nu er mulig. Denne metode, EIT, har vist sig at være ekstremt brugbar, da den lader en lyspuls blive konverteret til en stationær superposition af 1 Objekters tilstande er gensidigt forbundne og korrelerede til trods for, at de befinder sig forskellige steder i rummet. Ligeledes kaldet kvantefysisk sammenfiltring [1]. 2 Et fysisk system kan eksistere i mere end én af dets teoretisk mulige tilstande samtidigt, når der ikke måles på systemet [1]. 3 Electromagnetically Induced Transparency observeret af Stephen E. Harris gruppe på Stanford University i 1990 erne [4]. 3

4 indre tilstande og tilbage til en lyspuls [6]. Dette danner grundlag for mit forsøg med lagring og udlæsning af sekvenser af lyspulser: Lyspulsen som ønskes lagret og senere udlæst prøvepulsen justeres til energiforskellen mellem atomets energitilstand 1 og 2 (figur 1) 4. I stedet for at lade atomerne blive i tilstand 2 og derved lade excitationen henfalde og genudsende lyset for at tabe al information om den oprindelige puls, gøres brug af en anden laserstråle: en gennemsigtigheds inducerende stråle. Denne kaldes også en pumpestråle og har formålet at pumpe systemet ned i tilstand 3. Pumpelaseren er tændt fra start, da atomerne som er i grundtilstanden, tilstand 1, ikke kan absorbere denne stråle. Figur 1. Et atoms energiniveauer. Hvis det præcis er én foton der er absorberet, vil systemet befinde sig i en tilstand, hvor alle atomer på samme tid er det udvalgte, exciterede atom. Det er altså alle atomer der kvantefysisk deles om excitationen og her vil konstruktiv kvanteinterferens 5 hvor bølgebidragene fra de forskellige atomer interfererer, sikre, at informationen om den oprindelige foton gemmes. For at foretage en opbremsning af prøvepulsen uden at tabe pulsen til absorption, slukkes pumpelaseren og derved standser lyspulsen brat. Her vil den information der var i lyspulsen ikke blive udslettet, da informationen allerede var påtrykt atomernes tilstande. Når pulsen derved standser, fastfryses den påtrykning på stedet. Denne udlæses igen ved at tænde for pumpelaseren, hvor atomet som er stimuleret ned i tilstand 3 4 Tilstand 1 er atomets grundtilstand med lavest mulig energi. Et atoms exciterede tilstande svarer til, at en elektron ophøjes til større baner omkring kernen med højere energier end grundtilstanden. De præcise energier af et atoms exciterede tilstande afhænger af, hvordan kernens og valenselektronens partikelspin er rettet ind. Disse tilstande bestemmer hvordan atomet vekselvirker med lys altså hvilke frekvenser det absorberer. 5 Partiklerne opfører sig her som bølger og kan interferere både konstruktivt og destruktivt ligesom i klassisk fysik. 4

5 vil blive løftet op i tilstand 2, hvorefter atomet vil falde tilbage i grundtilstanden, tilstand 1. Fotonen udsendes og information er hermed intakt [5,7]. Anvendelse af en diamant Da formålet i mit forsøg er at undersøge, om jeg kontrolleret kan udlæse en lyspuls i mindre efterpulser og derefter se, om tilstandene er bevarede, skal der naturligvis bruges et medie som lyspulsen kan lagres og derefter udlæses fra. Her bruger jeg en diamant som klassisk hukommelse for lysfelterne. Der er flere fordele ved at bruge en diamant frem for eksempelvis ultrakolde skyer af atomer som i blandt andre Lene Haus forsøg: Diamant er det hårdeste mineral og har et meget højt refraktivt indeks på 2,4 og sænker derfor kun lysets hastighed med en faktor på 2,4. Grundet en meget fast gitterstruktur og de stærke interaktioner mellem naboatomerne, vil en igangsat vibration i en diamant have en meget høj frekvens på 40 THz. Denne frekvens adskiller sig fra omgivelsernes tilfældige excitationer og diamanten fungerer altså isolerende [8]. Idéen er at bruge en laserpuls der sætter gang i vibration i diamanten og får den til at ringe. De kvantemekaniske lydbølger, fononerne, som er det mindste kvantum af en energimængde, har en kort levetid på omkring 5-10 ps i diamanten. Selvom denne levetid er ekstremt kort, har disse en høj energi på 0.16 ev eller optisk bølgelængde 7.5 µm, som er meget højere end de normale termiske udsving i stuetemperatur [3]. Dette eliminerer altså nødvendigheden af køling i forsøget og er af samme grund også lettere og mere praktisk at arbejde med rent forsøgsmæssigt end eksempelvis ultrakolde atomare gasser, der kræver et vakuum og køling vha. en kombination af laserstråler, magnetiske felter og radiobølger. Et enkelt atom har næsten ingen chance for at gribe en udstrakt foton, men da en diamants krystalstruktur er periodisk, er der atomer i hele krystallen med denne evne, og de kan derfor deles om fotonen. I en diamant er der en bredere frekvensfordeling end eksempelvis i en kold gas. Dette giver flere fordele rent praktisk. Forsøget forløber lettere, da diamanten kan absorbere fotoner inden for flere frekvensområder og jeg kan derved være sikker på, 5

6 at fotonerne bliver absorberede af min diamant. Dette skyldes at en diamant ikke er en helt perfekt krystal, men har små deformationer og dermed en variation i trykforhold og orientering af atomerne i forhold til hinanden. De enkelte kulatomer i diamanten vil derfor svinge ved lidt forskellige frekvenser, som betyder, at lys kan absorberes med en anelse forskellige frekvenser forskellige steder i krystallen. Der er her tale om inhomogen forbedring, da krystallens evne til at absorbere fotoner forbedres ved inhomogeniteter i krystalstrukturen. En diamant er ligeledes fordelagtig pga. størrelsen på få millimeter. Dette er praktisk til anvendelse i eksempelvis chipkort til computere og mobiltelefoner, hvor andre lagringsmedier som atomare gasser ikke er praktisk mulige at anvende. Diamanten som anvendes er en 3 mm x 3 mm syntetisk diamant med en tykkelse på omkring 250 µm. De er præpareret med anti-refleksiv coating for at forhindre refleksion fra laserstrålerne. Udførelse af forsøg og fremgangsmåde I mit forsøg anvendes et ultrahurtigt lasersystem med Ti:Sapphire lasere 6. Diamantkrystallen fungerer som klassik hukommelse for lysfelterne. En laserpuls med ultrakorte 80 fs pulser sendes ind i diamantkrystallen. Diamanten absorberer noget af energien fra laserpulsen og begynder at vibrere (figur 2). Der bliver skabt en fonon, en kvantemekanisk lydbølge, via spontan Raman-effekt 7. Dette er efterfulgt af emission af en Stokes foton. Denne foton har mistet en fonons mængde energi, da dette er afgivet til krystallen. For at undersøge, om denne fonon er skabt inde i diamanten, kan jeg kigge på output lyset fra diamanten. Hvis dette er rødforskudt i frekvens - altså med lavere energi - end input lyset, ved jeg, at en fonon er skabt inde i diamanten (figur 3). For at teste dette, vender jeg argumentet om: I stedet for at skabe en fonon i krystallen kan laserpulsen destruere en fonon hvis den naturligvis eksisterer. I dette tilfælde vil det emitterede output lys have mere energi end input lyset, da den vibrerende krystal frigiver energi når den stopper med at 6 Titanium Sapphire Lasers justerbare lasere. 7 Fotoner rammer molekyler og udveksler herved energi med de indre molekylære vibrationer. 6

7 vibrere (figur 4). Jeg detekterer altså først en Stokes foton med lavere energi, som fortæller mig, at der er skabt en fonon i krystallen. Herefter indsendes en ny laserpuls med formålet at detektere en anti-stokes foton, altså med højere energi. Ved at detektere denne blåforskudte anti-stokes foton, har jeg bekræftet, at jeg til at starte med skabte en fonon i krystallen med den første laserpuls, da emission af fotonen ellers ikke ville være mulig. Detektorer for den rødforskudte og blåforskudte foton der klikker sammen indikerer, at der er skabt kvantevibrationer, fononer, i diamantkrystallen [9]. Figur 2. Lyspuls sendes ind i diamanten og en fonon skabes. Figur 3. En fonon er skabt i diamanten. Dette kan ses på output lyset som er rødforskudt. Figur 4. Den vibrerende diamant afgiver energi og output lyset er derved blåforskudt. En stærk pumpelaser lyser på diamanten med en frekvens der er tilpasset kulstofatomernes energiniveauer 2 og 3. Prøvepulsen er indstillet til en frekvens mellem atomernes tilstand 1 7

8 og tilstand 2 [5]. Denne sendes igennem diamantkrystallen. Herefter slukkes pumpelaseren brat og det elektriske felt superponeres. Diamanten husker feltet, da den er i en vibrationel tilstand. Dette kan beskrives som et hologram af pulsen skrevet i atomernes tilstande. Da jeg ønsker at udlæse pulsen igen i to mindre efterpulser skal der tændes for pumpelaseren to gange. Da laserens intensitet er kvadratet på det elektriske felts styrke, skal intensiteten af disse efterpulser i teorien være kvart så stor [10]. Dette gør jeg ved at variere intensiteten af pumpelaseren når den tændes igen. For at undersøge, om disse to svagere pulser har bevaret de superponerede tilstande, ønsker jeg at forsinke en af pulserne. I min forsøgsopstilling laver jeg derved en spejlopstilling, hvor pulserne kan tage to forskellige veje: en kort vej og en lang vej. Dette er begrundet med, at jeg ønsker at teste for interferens mellem de to efterpulser i en slutdetektor for at undersøge, om lyspulserne er succesfuldt udlæst. Dermed må en af pulserne forsinkes, for at det er muligt, at de to pulser kan mødes og interferere i slutdetektoren. Da kohærensens levetid i diamanten er meget kort, ønsker jeg at have et nanosekund mellem pulserne. Lyset bevæger sig ca km pr. sekund og jeg ønsker at forsinke min ene puls med et nanosekund: Den første lyspuls skal altså bevæge sig 30 cm længere for at blive et nanosekund forsinket. Figur 5. Forsøgsopstilling. 8

9 Efter udlæsningen af lysfeltet fra diamantkrystallen opsættes en stråledeler 8 som begge efterpulser rammer. Her vil stråledeleren give lyspulserne 50 % sandsynlighed for at fortsætte lige ud og 50 % sandsynlighed for at blive reflekteret og derved bevæge sig til den ene side. Hvis pulsen reflekteres og bevæger sig til siden, vil dette kunne beskrives som den lange vej. I mit forsøg gøres dette ved at et almindeligt spejl reflekterer strålen, så den bliver parallel med den stråle, som fortsatte lige igennem det halvgennemsigtige spejl. Endnu et spejl opstilles, så strålen vendes tilbage igen mod den stråle, som tog den korte vej lige igennem stråledeleren. Denne spejlopstilling skal altså være i alt 30 cm længere, hvis de to pulser skal forsinkes med et nanosekund (figur 5). De to pulser forenes ved en stråledeler, så der er to udgange for lyspulserne. Her er der ligeledes en slutdetektor, som kan teste for interferens. Ved at opstille forsøget på denne måde vil der være tre muligheder for pulsernes ankomst til slutdetektoren: 1. Begge pulser tager den korte vej og ankommer til detektoren med et nanosekunds forsinkelse. Ingen interferens. 2. Begge pulser tager den lange vej og ankommer til detektoren med et nanosekunds forsinkelse. Ingen interferens. 3. En puls tager en lang vej og den anden puls tager den korte vej og ankommer til detektoren på samme tid. Interferens detekteres. Da de to lyspulser ikke er uafhængige af hinanden og lysets fase er husket, vil interferens være mulig. Hvis det var to uafhængige pulser ville de ikke have en relativ fase til hinanden og interferens ville altså ikke kunne detekteres. Da det er det elektriske felt som superponeres, er det summen af feltet fra henholdsvis pulsen fra den korte vej og pulsen fra den lange vej, som kvadreres og kan måles ved interferens. Hvis interferensen ved bølgerne forstærker hinanden, konstruktiv interferens, kan jeg konkludere, at pulserne er udlæst sekventielt og tilstandene er bevarede. 8 Halvgennemsigtigt spejl. Optisk enhed der deler en lysstråle i to [11]. 9

10 Videre arbejde Mit forsøg kan være en indledning på en serie af forsøg med at lagre lysfelter i diamanter eller lignende medier og foretage en kontrolleret udlæsning. Den faktor, som jeg forventer er mest problematisk for praktisk anvendelse på nuværende stadie er den korte lagringstid i diamant på 10 ps. Stærke indre vekselvirkninger mellem atomerne fører til korte dekoherænstider og den excitation der skabes i systemet tabes meget hurtigt [8]. For at en kvantehukommelse er brugbar skal lagringstiden være lang nok til at kunne foretage måling på et andet system. Lagringstiden på 10 ps er hurtigere end responstiden på langt de fleste nuværende elektroniske systemer. Der kan forestilles to løsninger på dette problem: Enten skal lagringstiden i diamanten forlænges eller målingen til et andet system skal være hurtigere. Det er realistisk at forestille sig små optiske chips hvor det er muligt at bruge korte laserpulser til at foretage den nødvendige processing på ekstremt kort tidsskala, så diamanten kan anvendes. Videre arbejde ses ligeledes i form af optimering af lagringstiden. Hovedårsagen til kort dekohærens er, at systemet taber de atomare tilstande ved at de henfalder til lydbølger. Her kan der arbejdes på at skabe en diamant med en struktur der varier periodisk og visse lydbølger derved interfererer destruktivt med hinanden og ikke er mulige. Hvis denne faktor kan elimineres er en praktisk udnyttelse af diamanten mulig. Mit forsøg beskæftiger sig med om det er muligt at lagre og kontrolleret udlæse kvantetilstande i diamant. Dette er første skridt på vejen mod en praktisk anvendelse. Her er diamanten specielt god at eksperimentere med, da forsøgene er relativt simple og ikke kræver komplicerede kølingssystemer og vakuum. Videre arbejde er at bruge denne viden og demonstrere anvendelighed i kombinerede systemer. Projektets formål og relevans Formålet er at skabe en hurtig korttidshukommelse som åbner op for en ny platform i kvanteprocessing i stuetemperatur. Her forbindes kvanteinformation fra lys med et fast atom. Disse kvantehukommelser er uundværlige elementer i kvanteinformationsprocessing som langsigtet kan bruges i kvanterelæer, kvantecomputing og kommunikation. 10

11 Kvantecomputing kræver et fast materiale for at kvanteinformationen kan bearbejdes. Her fungerer lyspulser som bits og mit forsøg med diamant virker derved som en memoryenhed for en bitværdi. Ligeledes kan kvantehukommelser forestilles som et element i en optisk processor, hvor hukommelsen bruges til at synkronisere forskellige operationer i chippen. Hukommelser er nødvendige da mange processer med fotoner er baseret på sandsynligheder og uden nogen måde at lagre de succesfulde processer, kan de ikke kombineres til at udføre en effektiv beregning [12]. Ligeledes kan denne form for kvantehukommelser fungere som mellemstationer for kvantekommunikation, hvor en distance deles i mindre dele og der skabes og lagres atomare tilstande individuelt for hver del. Dette er kun muligt hvis kvantehukommelser er tilgængelige. Digitaliseringen og det stigende behov for lagring og hurtig processing af data gør, at lige præcis forskning på dette felt kan få en fremtrædende betydning i fremtiden. Disse teknologier med anvendelse af kvantefysiske fænomener kan være en kæmpe forbedring af den klassiske teknologi, som vi bruger i dag. Realisering af projekt Forskningsmiljø Mit projekt kan udføres på University of Oxford, Department of Physics. Forskningsgruppen ledet af Joshua Nunn har sagt ja til modtage mig og udføre eksperimenter med brugen af diamant. Klaus Mølmer i Århus står ligeledes til rådighed til hjælp og vejledning før forsøgene tages til Oxford. Økonomi og tidsramme Da mit projekt kan realiseres på University of Oxfords laboratorier og jeg derved ikke har udgifter til materialer, vil kr. blive brugt som rejsepenge. Jeg ønsker at rejse til Oxford for at se laboratoriet og snakke med forskningsgruppen, for derved at arbejde mere på mit projekt og tage derover igen for at udføre eksperimentet. Tidsrammen afhænger af, om de nødvendige komponenter er udlånt eller findes i Oxford. 11

12 Kontakter Klaus Mølmer, Professor ved Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet Joshua Nunn, afdelingsleder på Ultrafast quantum optics and optical metrology, Department of Physics, University of Oxford Jeg kan ikke takke jer nok for komplicerede mails, lange telefonsamtaler og ikke mindst fantastisk engagement. Referencer 1. Mølmer, Klaus: Kvantemekanik atomernes vilde verden, Aarhus Universitetsforlag, 2010, s Wu, Hua. et al.: Storage of Multiple Coherent Microwave Excitations in an Electron Spin Ensemble, Physical Review Letters, nr. 105, Simon, Christoph et al.: Quantum Memories, European Physical Journal, nr. 58, Harris, Stephen E.: Electromagnetically Induced Transparency, Physics Today, juli Hau, Lene V. et al.: Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses, Nature, nr. 409, Schnorrberger, Ute et al.: Electromagnetically Induced Transparency and Light Storage in an Atomic Mott Insulator, Physical Review Letters, nr. 103, Hau, Lene V.: Frozen Light, Scientific American, juli Walmsley, Ian et al.: Entangling Macroscopic Diamonds at Room Temperature, Science, nr Nunn, Joshua et al.: Quantum Diamonds, Optics and Photonics News, oktober Serway, Raymond A.: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics International Edition, Saunders College Publishing, 4. udgave, 1996, s Born, Max et al.: Principles of optics, Cambridge University Press, 7. udgave, 1999, s Tordrup, Karl et al.: Holographic Quantum Computing, Physical Review Letters, nr. 101,

13 Bilag 1 budget To tur/retur billetter til London, Heathrow 2000 kr. x kr. Transport fra Heathrow til Oxford 100 kr. x kr. Overnatning i Oxford 600 kr. x kr. Køb af programmer og computer til bearbejdning af data 7000 kr kr. I alt (hertil kommer uforudsete udgifter) kr. 13