Generation of vortex-squeezed light in a coherently prepared medium

Stellen Sie sich vor, das Universum summt ein Lied, aber selbst im leisesten, dunkelsten Raum gibt es ein leises, statisches Rauschen. Dies ist kein kaputtes Radio; es ist das Hintergrundrauschen des Universums, bekannt als „Quantenvakuumfluktuationen“. Denken Sie an das Rauschen auf einem Fernsehbildschirm, wenn kein Kanal läuft – es ist das minimale Maß an Unschärfe, das die Natur zulässt, eine Regel, die durch das berühmte Heisenbergsche Unschärfeprinzip festgelegt wird. Wissenschaftler nennen dies das „Standardquantenlimit“, und es ist ein wenig frustrierend für jeden, der Dinge mit extremer Präzision messen möchte. Wenn man einen supersensiblen Sensor bauen will, um eine Gravitationswelle von einer Kollision schwarzer Löcher oder ein winziges Magnetfeld eines einzelnen Atoms zu detektieren, steht dieses Rauschen im Weg.

Um dieses Rauschen zu besiegen, nutzen Physiker einen Trick namens „Squeezing“ (Stauchung). Stellen Sie sich einen mit Luft gefüllten Ballon vor. Wenn man ihn von den Seiten zusammendrückt, wird er dort dünner, aber oben und unten wölbt er sich aus. In der Quantenwelt ist „gequetschtes Licht“ wie dieser Ballon: Wissenschaftler reduzieren das Rauschen (die Unschärfe) in einer bestimmten Eigenschaft der Lichtwelle, etwa ihrer Helligkeit, aber das Rauschen muss irgendwo anders hingehen, also nimmt es in einer anderen Eigenschaft, etwa ihrem Timing, zu. Dies ermöglicht es uns, Details zu sehen, die zuvor durch das statische Rauschen verborgen waren.

Stellen Sie sich nun vor, Sie nehmen dieses gequetschte Licht und drehen es in eine Korkenzieherform. Dies ist „Vortex-Licht“, eine spezielle Art von Strahl, der eine Drehbewegung trägt, die man Bahndrehimpuls nennt. Es ist wie ein Tornado aus Licht, der mehr Informationen tragen kann als ein gerader Strahl. Die große Frage war bisher: Wie erzeugen wir dieses verdrehte, superleise Licht, ohne komplizierte, klobige Maschinen zu verwenden, die die Drehung ruinieren könnten? Das ist das Rätsel, das dieses neue Paper zu lösen versucht.

In dieser Studie schlagen Forscher der Beihang-Universität in China einen cleveren neuen Weg vor, um dieses „Vortex-gequetschte“ Licht zu erzeugen. Anstatt die üblichen, schwerfälligen Methoden wie das Spalten von Kristallen oder das Mischen von vier verschiedenen Lichtstrahlen zu verwenden, schlagen sie vor, ein Medium (eine Wolke aus Atomen) zu nutzen, das sorgfältig „kohärent präpariert“ wurde. Denken Sie an diese Vorbereitung wie an das Stimmen eines Chors vor einem Konzert; die Atome werden in einen spezifischen, synchronisierten Zustand versetzt, damit sie bereit sind, zum Tanz des Lichts zu tanzen.

Die Idee des Teams ist es, einen „Kontrollstrahl“ aus Vortex-Licht in diesen präparierten atomaren Chor leuchten zu lassen. Während das Licht mit den Atomen interagiert, findet ein Prozess statt, den man Raman-Streuung nennt. Es ist ein bisschen wie ein Fangspiel, bei dem der Kontrollstrahl einen Ball zu einem Atom wirft, das Atom den Ball fängt und ihn dann sofort als einen neuen Ball in einer anderen Farbe (Frequenz) zurückwirft. Die Forscher fanden heraus, dass dieser neue „Signalstrahl“, der ebenfalls ein Vortex ist, mit dem aus ihm herausgequetschten Rauschen austritt. Noch interessanter ist, dass auch der ursprüngliche Kontrollstrahl, der in das Medium eintrat, gequetscht wird, während er hindurchläuft.

Das Paper, das ein theoretischer Vorschlag auf Basis mathematischer Simulationen und noch nicht auf Basis eines physischen Experiments ist, zeigt, dass die Forscher durch das Drehen an ein paar Reglern ihres Systems – speziell der „Zwei-Photonen-Entgleichung“ (eine Art, den Energieunterschied zwischen Licht und Atomen abzustimmen) und der „Grundzustands-Relaxationsrate“ (wie schnell die Atome ihren synchronisierten Tanz verlieren) – einen „Sweet Spot“ finden können. In diesem Sweet Spot ist das Squeezing am stärksten. Sie entdeckten, dass zwar beide Strahlen leiser werden, der Kontrollstrahl jedoch tatsächlich stärker gequetscht wird als der Signalstrahl, den er erzeugt.

Die Forscher untersuchten auch, wie „dicht“ die Atomwolke ist. Sie fanden heraus, dass mehr Atome (hohe optische Dichte) dem Licht helfen, schneller einen klaren Pfad durch das Medium zu etablieren, aber sobald dieser Pfad frei ist, ändert die Dichte das endgültige Verhältnis dessen, wie viel Licht hindurchkommt, nicht mehr. Die Dichte hilft jedoch dabei, den Squeezing-Eff Effekt insgesamt zu verstärken.

Einer der entscheidenden Vorteile dieser Methode ist, dass sie den Einsatz zusätzlicher Geräte zur Verdrehung des Lichts vermeidet. Normalerweise erzeugen Wissenschaftler normales gequetschtes Licht und müssen es dann durch einen speziellen Modulator laufen lassen, um es in einen Vortex zu verwandeln, was die Reinheit des Strahls beeinträchtigen kann. Hier bleibt die Vortex-Form natürlich erhalten, da das Licht von Anfang an direkt in dieser Form mit den Atomen interagiert.

Die Autoren schlagen vor, dass dieser Aufbau unter Verwendung von Rubidium-87-Atomen aufgebaut werden könnte, einem häufig verwendeten Element in Quantenlaboren, mit spezifischen Energieniveaus, die wie die Sprossen einer Leiter für die Elektronen fungieren. Sie schlagen vor, dass die „kohärente Präparation“ durch eine Technik namens STIRAP erreicht werden könnte, was wie eine sanfte, präzise Methode ist, um die Atome in den richtigen Zustand zu bewegen, ohne sie zu erschüttern.

Obwohl dies derzeit ein theoretisches Modell ist, deuten die Ergebnisse auf eine flexible und robuste Methode zur Erzeugung von hochwertigem, gequetschtem Vortex-Licht hin. Wenn dies in einem echten Labor gebaut werden kann, könnte es ein neues Werkzeug für die Zukunft der Quantentechnologie bieten, was potenziell dazu beitragen könnte, Quantencomputer, ultrasensitive Sensoren und sichere Kommunikationsnetzwerke durch eine sauberere, stärker gedrehte Lichtquelle noch besser zu machen. Die Studie hebt hervor, dass es viel Spielraum gibt, das System für die besten Ergebnisse abzustimmen, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Quantenexperimente macht.