Το παγωμένο φως
Μέρος 4ο

Ένα άρθρο της Lene Vestergaard Hau, από την ιστοσελίδα SciAm.com, Οκτώβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Μέσα από το αέριο , στο σκοτάδι

Με το μέτωπο του παλμού φωτός να ταξιδεύει τόσο αργά ενώ η ουρά του ταξιδεύει με πλήρη ταχύτητα μέσα στον αέρα, ο παλμός συρρικνώνεται μέσα στο αέριο σαν ακορντεόν. Το μήκος του συμπιέζεται κατά ένα παράγοντα 20 εκατομμυρίων μέχρι που γίνεται 1/20 του χιλιοστομέτρου. Ίσως να περιμένατε ότι η ένταση του παλμού αυξάνεται κατά πολύ, διότι η ίδια ποσότητα ενέργειας συμπυκνώνεται σε μικρότερο χώρο. Η ενίσχυση αυτή δεν συμβαίνει όμως, αντίθετα το ηλεκτρομαγνητικό κύμα παραμένει στην ίδια ένταση. Για να το δούμε αλλιώς, στον ελεύθερο χώρο ο παλμός περιέχει 50.000 φωτόνια, αλλά ο αργός παλμός περιέχει 1/400 του φωτονίου (ο παράγοντας των 20 εκατομμυρίων ξανά). Τί  έχει συμβεί σε όλα τα άλλα φωτόνια και στην ενέργειά τους; Κάποια από την ενέργεια αυτή πηγαίνει στα άτομα του νατρίου, αλλά η περισσότερη μεταβιβάζεται στη δέσμη λέιζερ σύζευξης. Έχουμε μετρήσει την ένταση της δέσμης σύζευξης για να παρατηρήσουμε απευθείας αυτή τη μεταφορά ενέργειας. 

Οι μεταφορές αυτές ενέργειας, αλλάζουν επίσης τις καταστάσεις των ατόμων νατρίου, απ' όπου περνάει ο παλμός. Στο μέτωπο του παλμού τα άτομα αλλάζουν από την κατάσταση 1 σε μια υπέρθεση των καταστάσεων 1 και 2, τη λεγόμενη σκοτεινή κατάσταση, όπως προαναφέραμε. Η σκοτεινή κατάσταση έχει τη μεγαλύτερη αναλογία από την κατάσταση 2 στο κεντρικό μέρος του παλμού αυτό με τη μεγαλύτερη ένταση. Καθώς το πίσω μέρος του αργού παλμού εγκαταλείπει μια περιοχή ατόμων, τα άτομα επιστρέφουν στην κατάσταση 1. Ο σχηματισμός των σκοτεινών καταστάσεων στο νέφος μιμείται τη μορφή του συμπιεσμένου αργού φωτεινού παλμού και τον συνοδεύει κατά το πέρασμά του μέσα από το αέριο, με τη μορφή κύματος. Όταν το κύμα αυτό και ο φωτεινός παλμός φτάσουν στο τέλος του αέριου νέφους, ο φωτεινός παλμός ξαναπαίρνει ενέργεια από τα άτομα και τη δέσμη σύζευξης για να ξαναρχίσει το ταξίδι του στον αέρα με τη συνηθισμένη του ταχύτητα των 300.000 χλμ/sec, επιστρέφοντας επίσης στο κανονικό του μήκος του ενός χιλιομέτρου. 

Η ταχύτητα του αργού φωτός εξαρτάται από πολλές παραμέτρους.Μερικές από τις παραμέτρους είναι σταθερές άπαξ και διαλέξουμε το είδος των ατόμων και ποιές διεγερμένες καταστάσεις θα χρησιμοποιήσουμε, δύο όμως από τις μεταβλητές είναι υπό τον έλεγχό μας: η πυκνότητα του ατομικού νέφους και η ένταση της δέσμης λέιζερ σύζευξης. Αυξάνοντας την πυκνότητα του νέφους ελαττώνεται η ταχύτητα του φωτός, αλλά η ελάττωση αυτή έχει ένα όριο, διότι στο πολύ πυκνό νέφος, τα άτομα γλιστρούν έξω από τη μαγνητική παγίδα πολύ γρήγορα. Η ταχύτητα του παλμού ελαττώνεται επίσης αν η δέσμη λέιζερ σύζευξης γίνει ασθενέστερη. Φυσικά αν η δέσμη σύζευξης γίνει πολύ ασθενής το νέφος δεν θα είναι διαφανές και θα απορροφά τον παλμό. Παρόλα αυτά χρησιμοποιούμε ένα τρικ που μας επιτρέπει να πετυχαίνουμε τη μέγιστη ελάττωση χωρίς να απορροφάται ο παλμός από το νέφος: Σβήνουμε την δέσμη σύζευξης όταν ο αργός και συμπιεσμένος παλμός βρίσκεται στο μέσον του αερίου.  

Με τον τρόπο αυτό ο παλμός φτάνει σε μια κρίσιμη ακινησία και εξαφανίζεται. Η πληροφορία όμως που υπήρχε στο φως δεν χάνεται. Η πληροφορία αυτή ήταν ήδη αποτυπωμένη στις καταστάσεις των ατόμων, και όταν ο παλμός σταματάει, το αποτύπωμα αυτό απλά παγώνει σε μια συγκεκριμένη θέση, κάπως σαν ένας ήχος αποτυπωμένος σε μια μαγνητοταινία. Η διαδικασία της ακινησίας δεν συμπιέζει τον σχηματισμό των καταστάσεων, διότι η επιβράδυνση γίνεται ενιαία, σε αντίθεση με το προηγούμενο στάδιο που ο παλμός εισερχόταν προοδευτικά στο αέριο. 

Ο παγωμένος σχηματισμός που αποτυπώθηκε στα άτομα φέρει όλη την πληροφορία του αρχικού παλμού φωτός. Για παράδειγμα η αναλογία των καταστάσεων 1 και 2 σχετίζεται με την ένταση του παλμού σε κάθε θέση. Έχουμε στην πραγματικότητα ένα ολόγραμμα του παλμού γραμμένο πάνω στα άτομα του αερίου. Αυτό το ολόγραμμα μπορεί να διαβαστεί ανάβοντας ξανά τη δέσμη λέιζερ σύζευξης. Σαν μαγικό, ο φωτεινός παλμός ξαναεμφανίζεται και κινείται πάλι με αργή κίνηση μαζί με το κύμα των ατομικών καταστάσεων, σα να μην τον είχε διακόψει τίποτα. 

Μπορούμε να αποθηκεύσουμε το φως περίπου για ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου, χρόνος ικανός για να ταξιδέψει ένας συνηθισμένος παλμός στον αέρα κάπου 300 χιλιόμετρα. Ο παλμός υποβαθμίζεται όσο πιο πολύ μένει αποθηκευμένος. Τα άτομα του αερίου εξακολουθούν να κινούνται τριγύρω, κάνοντας το σχηματισμό των σκοτεινών καταστάσεων να διαχέεται αργά. Επιπρόσθετα, συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων μπορούν να διαταράξουν την υπέρθεση των καταστάσεων. Μετά από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου, ο παλμός εξόδου που παίρνουμε θα είναι πιο αδύνατος από τον αρχικό. Μπορούμε επίσης να κάνουμε κάποια τρικ. Για παράδειγμα αν ανάψουμε τη δέσμη σύζευξης σε μεγαλύτερη ένταση, ο παλμός εξόδου θα είναι λαμπρότερος αλλά πιο σύντομος. Αναβοσβήνοντας τη δέσμη σύζευξης πολλές φορές γρήγορα, ο παλμός αναγεννιέται σε πολλά τμήματα. Τέτοιοι χειρισμοί δείχνουν το βαθμό ελέγχου που έχουμε πάνω στον αποθηκευμένο παλμό και μπορούν να φανούν χρήσιμοι σε μελλοντικά πειράματα και εφαρμογές. 

Μαύρες τρύπες και υπολογιστές

ΜΑΥΡΗ ΤΡΥΠΑ: Αργό φως που παρασύρεται  σε ένα στρόβιλο ατόμων θα μπορούσε να εξομοιώνει  φαινόμενα που αναμένεται να συμβαίνουν στον  καμπυλωμένο χωροχρόνο κοντά στις μαύρες τρύπες. 

Η διαδικασία της επιβράδυνσης και ακινησίας του φωτός ανοίγει το δρόμο για πολλά ενδιαφέροντα πειράματα. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να στείλουμε ένα παλμό φωτός μέσω ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein με την ταχύτητα του φωτός να προσαρμόζεται ώστε να είναι της ίδιας τάξης με την ταχύτητα του ήχου στο συμπύκνωμα (περίπου ένα εκατοστόμετρο ανά δευτερόλεπτο). Τα άτομα του συμπυκνώματος θα σερφάρουν μαζί με τον παλμό φωτός δημιουργώντας ταλαντώσεις σε όλο το συμπύκνωμα. Αυτό θα ήταν ένας τελείως καινούργιος τρόπος για να μελετήσουμε τις ιδιότητες υπερευστότητας ενός συμπυκνώματος. Τα συμπυκνώματα μπορούν επίσης να παραχθούν σε στροβιλώδη κατάσταση, όπου το αέριο περιστρέφεται όπως το νερό που φεύγει από την απορροή της μπανιέρας. Ένας παλμός αργού φωτός που περνάει μέσα από τον στρόβιλο θα εμφανιστεί να παρασύρεται μαζί με το αέριο - κάτι που μοιάζει πολύ με τα φαινόμενα που αναμένουμε να συμβαίνουν κοντά στις μαύρες τρύπες. Με αργό φως, μπορούμε να μελετήσουμε αυτό και άλλα παρόμοια φαινόμενα των μαύρων τρυπών, στο εργαστήριο. 

το αργό φως κάνει επίσης δυνατή την πραγματοποίηση ενός νέου τύπου μη γραμμικής οπτικής, η οποία συμβαίνει συγκεκριμένα όταν μια δέσμη λέιζερ μεταβάλλει τις ιδιότητες μιας άλλης δέσμης. Η μη γραμμική οπτική είναι ένα τεράστιο πεδίο έρευνας, τόσο ως καθαρά θεμελιώδης έρευνα, όσο και για τις εφαρμογές της από τις μεθόδους απεικόνισης μέχρι τις τηλεπικοινωνίες. Συνήθως χρειάζονται δέσμες εξαιρετικά μεγάλης έντασης για να πετύχουμε φαινόμενα μη γραμμικής οπτικής. Με το αργό φως όμως και τα συνοδευτικά φαινόμενα, μπορούμε να έχουμε μη γραμμικά φαινόμενα ακόμη και με μικρό αριθμό φωτονίων. Τέτοια φαινόμενα θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμα για τη δημιουργία υπερευαίσθητων οπτικών διακοπτών. 

Μια άλλη εφαρμογή για το αργό και ακίνητο φως θα μπορούσαν να είναι οι κβαντικοί υπολογιστές, στους οποίους τα συνηθισμένα διακριτά 0 και 1 αντικαθίστανται από υπερθέσεις των 0 και 1 που λέγονται qubits. Όταν κατασκευαστούν τέτοιοι υπολογιστές θα μπορούν να επιλύουν ορισμένα προβλήματα για τα οποία οι συνηθισμένοι υπολογιστές θα χρειάζονταν τεράστιο χρόνο. Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες από qubits: εκείνα που παραμένουν εντοπισμένα σε κάποιες θέσεις και αλληλεπιδρούν εύκολα το ένα με το άλλο (όπως είναι οι κβαντικές καταστάσεις των ατόμων) και εκείνα που μετακινούνται γρήγορα από θέση σε θέση (φωτόνια), αλλά είναι δύσκολο να αλληλεπιδρούν με τον τρόπο που χρειάζεται ένας κβαντικός υπολογιστής. Το σύστημα του αργού φωτός, με το μετασχηματισμό των φωτονίων σε στάσιμους σχηματισμούς σκοτεινών καταστάσεων, και ξανά πάλι σε φωτόνια, που επιτυγχάνει, εξασφαλίζει έναν ισχυρό τρόπο μετατροπής από τον ένα τύπο qubit στον άλλο. Η διαδικασία αυτή θα μπορούσε ν' αποτελεί την καρδιά ενός κβαντικού υπολογιστή μεγάλης κλίμακας. Μπορούμε να φανταστούμε δύο παλμούς ν' αφήνουν τ' αποτυπώματά τους στο ίδιο νέφος ατόμων, επιτρέποντας την αλληλεπίδραση των ατόμων, και στη συνέχεια να διαβάζουμε το αποτέλεσμα αναγεννώντας νέους φωτεινούς παλμούς στην έξοδο. 

Ακόμα κι αν αποδειχτεί ότι το παγωμένο φως δεν είναι το πιο κατάλληλο και βολικό μέσο για τους κβαντικούς υπολογιστές, έχει ανοίξει παραπάνω από αρκετούς νέους δρόμους για να δώσει στην ομάδα μας και σε άλλες ομάδες την ευκαιρία να μείνουμε ξάγρυπνοι στα εργαστήριά μας για πολλές ολονύχτιες παρατηρήσεις κατά τα προσεχή χρόνια.