|
Indsigter Store fremtidsperspektiver i lysets mørke
Lene Vestergaard Hau blev den store sensation, da hun sænkede lysets hastighed under hastigheden på hovedveje. Nu kan lysets sprechstallmeister stoppe det, udslukke det og genoplive det – og derved give kvanteinformation et nyt udseende
Marguerite Holloway
Lene Vestergaard Hau’s yndlingstidspunkt på året er skærsommernatten, når himlen i hendes fødeland Danmark bliver lys metalblå og solen kun er gået ned i få timer. ”Det bliver aldrig rigtig mørkt,” siger hun en majmorgen på sit solbeskinnede kontor på Harvard University. ”Man har disse lange, lyse nætter. Det er bare en vidunderlig tid på året. Det savner jeg virkelig her.” Hau kom til U.S.A. for at lave postdoctor arbejde for to årtier siden, sprang ind i et nyt rige i fysikken, antændte et andet, har været her siden og fået verden til at tænke anderledes om lysets egenskaber. Lysets hastighed – 299.792.458 meter i sekundet i vakuum – ”er en ufattelig høj hastighed,” siger Hau. ”Hvis man på en eller anden måde kunne tæmme den til et menneskeligt niveau, ville det være fuldstændig fascinerende.” Det er nøjagtig hvad den 47 årige fysiker har gjort: hun har tvunget lyset til at traske, hobe sig op og presse sig ind i et lille bur, forblive føjeligt i det bur og endda forsvinde, for blot at dukke op igen et stykke væk. Lys bevæger sig langsommere hele tiden: fotoner, der bevæger sig gennem vand, decelererer til omkring 224.844.344 meter pr. sekund og de stopper og tilintetgøres, når de rammer uigennemsigtige overflader. Men før Hau’s arbejde var de aldrig blevet forsinket til 17 meter i sekundet og, på samme måde, slukket og så genoplivet intakte. Fordi fotoner rejser langt og hurtigt uden forringelse, er de blevet brændpunktet for forskningen i at udvikle kvantecomputere og forbedre optisk kommunikation. Hau’s arbejde er ikke direkte anvendeligt, fordi hendes eksperimenter udfolder sig i Bose-Einstein kondensater – klynger af superkolde atomer der opfører sig som et gigantisk kollektiv. Alligevel går hendes arbejde til roden af udfordringen med at bruge lys til at opbevare og behandle information. Ved at stoppe lyset ”opbevarer man en kvantebit. Begrebsmæssigt er det en ny slags hukommelsesenhed,” siger Seth Lloyd, kvantefysiker på Massachusetts Institute of Technology. Hau, som vandt et MacArthur Fellowship i 2001, planlagde ikke at blive eksperimental fysiker. Hendes træning var på den teoretiske side, skønt hun i 1980’erne, hjemme i Danmark og så på CERN nær Geneve, arbejdede på kondenseret stof. ”Ved at gøre det opdagede jeg, at man var begyndt at bruge nye teknikker med brug af lasere til at køle atomer ned til yderst kolde temperaturer,” husker hun. I 1988 rejste Hau til U.S.A. for at møde forskere, give forelæsninger og tilfredsstille et ønske om ”at se om dette land virkelig var som filmene.” Hvilket, besluttede hun, det var: stort, med store biler og meget talende, åbne mennesker. Et af Hau’s besøg var på Rowland Institute i Cambridge, Mass., som var nonprofit og sluttede sig til Harvard for fem år siden. Der mødte hun fysikerne Michael Burns og Jene A. Golovchenko; begge opmuntrede hende til at udforske koldt stof, selvom ingen af dem arbejde i det opdukkende felt. ”Jeg kunne være taget til et mere etableret sted, men det forekom at være for forudsigeligt,” siger Hau. Hau gik igang med at konstruere en måde at få en konstant forsyning af natriumatomer i et vakuum på. Så begyndte hun at afkøle sine natriumatomer til nær det absolutte nulpunkt og en skærsommernat i 1997 lavede hun ”nogle virkelig store, fede” Bose-Einstein kondensater. Man havde gættet på eksistensen af denne form for stof, men det var aldrig blevet skabt, før det lykkedes for tre forskere – nu Nobel pristagere – i 1995. Hau havde tænkt sig at bruge lys til at undersøge denne nye art, da hun i stedet besluttede at bruge kondensatet til at lege med lys. I 1999, i en nu berømt opdagelse, lyste Hau med laserlys på et kondensat og fik fotonerne til at krybe afsted inde i det. ”Det var et meget, meget vanskeligt eksperiment, fordi det var lige på grænsen af, hvad der var muligt,” siger hun [se ”Frozen Light,” af Lene Vestergaard Hau; Scientific American, juli 2001], [Frosset lys].
Hvad der sker er dette: Kondensatet indeholder natriumatomer, som holdes på plads af et magnetfelt og belyses af en ”koblings” laser, der tjener til at gøre kondensatet gennemsigtigt for en bestemt lysfrekvens. Når fotoner med den frekvens udsendes i en kort puls af en ”prøve” laser og rammer kondensatet, udløser de en mørk kvantetilstand. Det betyder, at natriumatomerne går i en superposition – de er samtidig i to energitilstande. Når fotonerne møder disse atomer, bliver de entangled med dem. Lyspulsens forkant bremses og bagkanten indhenter den. Derved sammenpresses lyset som en harmonika ind i det 100 micron tykke kondensat. Lys var før blevet bremset eksperimentalt med en faktor 165 (til omkring 1.816.923 meter pr. sekund) ved brug af den gennemsigtige teknik, Hau anvender. Men ”observationen af lys, der går 17 meter pr. sekund, gav et skub til en verdensomspændende arbejde i den retning,” siger Stephen E. Harris fra Stanford University, som arbejdede sammen med Hau og først demonstrerede elektromagnetisk påført gennemsigtighed og bremsede lys med den tidligt i 1990’erne. Forskere har nu også bremset lys i varme gasser, krystaller og halvledere ved rumtemperatur. Bremsning af lyset førte Hau til at stoppe og starte det. I 2001 slukkede hun og kollegerne for koblingslaseren og opdagede, at lyspulsen i kondensatet forsvandt; dens karakteristiske form, amplitude og fase var imidlertid påtrykt natriumatomerne. Når koblingslaseren igen kom på, forårsagede det indkommende energistød, at de ændrede natriumatomer skiftede energiniveauer og i den proces frigjorde en lyspuls med den eksakt samme fase og amplitude som den, der oprindeligt blev sendt ind af prøvelaseren. Lys var kommet ind med information, havde overført den information til stof og var forsvundet. Så havde stoffet frembragt lys med den samme information. ”Det er sådan vi bevarer information i systemet. Det er ikke en eller anden tilfældig ting, man ikke har kontrol med,” siger Hau. I år førte Hau og to medlemmer af hendes laboratorium, Naomi S. Ginsberg og Sean R. Garner, tingene et skridt videre ved at transmittere lyspulsens karakteristika mellem to kondensater. De sendte en puls fra prøvelaseren ind i det første kondensat, hvor det, som forventet, bremsede op. Dernæst slukkede de for koblingslaseren. Lyspulsen fra prøven forsvandt, men ikke før den havde kommunikeret information om sin amplitude og fase til natriumatomerne. Disse atomer havde også bevægelsesmængde fra fotonkollisionen, bevægelsesmængde der drev dem ud af det første kondensat, over et lille gab og ind i det andet kondensat. Da atomerne - som var en stofkopi af den slukkede lyspuls – ankom, blev koblingslaseren tændt igen; atomerne, som var ivrige efter at slutte sig til det andet kondensat, skiftede energiniveauer og frigav fotoner med den eksakt samme fase og amplitude, som dem der var gået ind i det første kondensat. Som Hau og Lloyd bemærker, betyder overførsel af lys til stof og tilbage igen, at kvanteinformation ville kunne behandles. ”Grundlæggende ville prøvelyset bære kvanteinformation over lange afstande i optiske fibre,” forklarer Hau. ”Hvis man så ønsker at gøre noget ved det, læser man det ind i stof. Vi kan bruge stofdynamik til at ændre optisk information.” Lys vekselvirkninger i Bose-Einstein kondensater har også frembragt uventede fænomener – for eksempel opfører tornadolignende storme i kondensaterne sig sommetider som billiardkugler, støder sammen med hinanden og annihilerer sommetider hinanden. ”Det er en helt zoologisk have,” siger Hau oprømt. ”Eksperimenterne viser mange flere detaljer end beregningerne gjorde.” Hau’s mange eksperimenter holdt hende borte fra skærsommernattens særlige blå igen i år. Men hun bragte Skandinavien til sine nye laboratorier: væggene er gule og orange og der er masser af lyst træ. ”Farver er meget vigtige,” siger hun. ”Farver og lys, de er måden, hvorpå man kan føle, hvor lykkelig man er.” Hau og digteren Robert Frost forekommer at have samme opfattelse: ”Lyset var det, det handlede om / Jeg ville ikke gå ind før lyset gik ud / Det ville ikke gå ud, før jeg kom ind.”
FOTOGRAFI AF KATHLEEN DOOHER
Fra What Visions in the Dark of Light, Scientific American september 2007.
|
