Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade

Licht verhält sich normalerweise wie ein Strom unabhängiger Teilchen, die aneinander vorbeiziehen, ohne einen Gedanken daran zu verschwenden. Um Licht dazu zu bringen, mit sich selbst zu interagieren, suchen Wissenschaftler seit langem nach Wegen, Photonen dazu zu zwingen, sich gegenseitig zu beeinflussen – eine Leistung, die die Art und Weise, wie wir Informationen verarbeiten und Quantencomputer bauen, revolutionieren könnte. Einer der vielversprechendsten Wege, dies zu erreichen, besteht darin, Licht in einer Wolke extrem kalter Atome einzufangen. Wenn diese Atome in einen hochenergetischen Zustand, den sogenannten Rydberg-Zustand, versetzt werden, werden sie enorm groß und üben einen starken Einfluss auf ihre Nachbarn aus. Dieser Einfluss erzeugt eine „Blockade“, eine Zone, in der die Anwesenheit eines angeregten Atoms verhindert, dass ein anderes nahe gelegenes Atom auf die gleiche Weise angeregt wird. In der Vergangenheit ist es Forschern gelungen, diesen Effekt zu nutzen, um Photonen interagieren zu lassen, aber sie haben diese Wechselwirkungen meist entlang einer einzigen Linie betrachtet und den Lichtstrahl so behandelt, als wäre er ein dünner Faden. Dieser Ansatz hat zwar reiche Verhaltensweisen in der Zeit aufgezeigt, aber die volle dreidimensionale Natur der Wechselwirkung weitgehend unerforscht gelassen.

Ein Team von Physikern hat nun diese Sichtweise erweitert und eine Theorie entwickelt, die beschreibt, wie zwei Photonen nicht nur entlang ihres Pfades, sondern auch über die Breite des Strahls hinweg interagieren. Durch die Simulation der Bewegung von Photonen durch eine zweidimensionale Atomwolke entdeckten die Forscher, dass die Regeln, die bestimmen, wie diese Teilchen einander ausweichen, je nach Richtung grundlegend verschieden sind. Betrachtet man die Wechselwirkung in der Richtung, in die das Licht wandert, verhalten sich die Photonen so, als würden sie diffundieren oder sich ausbreiten, aufgrund der Art und Weise, wie die Atome auf das Licht reagieren. Betrachtet man jedoch die Wechselwirkung quer zum Strahl, verhalten sich die Photonen wie Lichtwellen, die um ein Hindernis beugen (diffraktieren), und breiten sich in einem Muster aus, das durch die Wellennatur des Lichts selbst bestimmt wird. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da sie bedeutet, dass die „verbotene Zone“, in der zwei Photonen nicht gleichzeitig existieren können, durch zwei verschiedene physikalische Mechanismen geformt wird, die gleichzeitig wirken.

Die Forscher modellierten ein Szenario, in dem ein Laserstrahl, der die Form einer glatten Glockenkurve hat, durch eine Atomwolke fließt, die ebenfalls die Form einer Glockenkurve besitzt. Sie berechneten das Verhalten von zwei Photonen, während sie sich durch dieses Medium bewegen, und verfolgten, wie sich die Wahrscheinlichkeit, sie gemeinsam zu finden, sowohl in der Vorwärtsrichtung als als auch in der seitlichen Richtung verändert. Ihre Berechnungen zeigten, dass die Region, in der die Photonen daran gehindert werden, nah beieinander zu sein, kein perfekter Kreis ist. Stattdessen dehnt sie sich zu einer ovalen Form aus. Die Länge dieses Ovals wird dadurch bestimmt, wie schnell die Atome auf das Licht reagieren können, ein Faktor, der mit der Bandbreite der Wechselwirkung zusammenhängt. Die Breite des Ovals hingegen wird direkt durch die physische Größe des Blockaderadius festgelegt, also die Distanz, über die die Rydberg-Atome einander abstoßen. Dieser Befund bestätigt, dass die transversale, oder seitliche Wechselwirkung ein eigenständiges Phänomen ist, das unabhängig von den in der Vergangenheit untersuchten zeitbasierten Wechselwirkungen gemessen werden kann.

Um das Ausmaß dieses Effekts zu verstehen, variierte das Team die Größe des einfallenden Laserstrahls im Verhältnis zur Größe der Blockade. Wenn der Strahl viel breiter als die Blockadezone war, erzeugten die Photonen ein klares, dunkles Loch in der Mitte des Ausgangsstrahls, genau dort, wo die Blockade sie daran hinderte, zu sein. Dieses Loch hatte eine Breite, die der Größe des Blockaderadius entsprach, also etwa dem Doppelten der Distanz, über die die Atome einander abstoßen. Wenn der Strahl jedoch schmaler als die Blockadezone war, änderte sich der Effekt. Das scharfe Loch verschwand und wurde durch eine Verbreiterung des Lichts ersetzt, die durch die natürliche Ausbreitung des Strahls während seines Weges verursacht wurde. Dieser Übergang markiert einen Wechsel von einem Regime, in dem die atomare Wechselwirkung dominiert, zu einem, in dem die Wellennatur des Lichts die Oberhand gewinnt. Die Simulationen legen nahe, dass Wissenschaftler durch die Messung des räumlichen Musters des Lichts nach dessen Austritt aus der Wolke die Größe des Blockaderadius direkt bestimmen können, was eine neue und präzise Methode zur Messung dieser Quantenwechselwirkungen darstellt.

Die Arbeit stützt sich auf ein mathematisches Modell, das die komplexe neuteilige Beschreibung des Photon-Atom-Systems in eine einzige, leichter verständliche Gleichung vereinfacht. Diese Gleichung behandelt die zwei Photonen als ein einziges Objekt, das sich durch eine Landschaft bewegt, die von den Atomen geformt wird. In dieser Landschaft wirken die Atome wie ein Potenzialhügel, den die Photonen navigieren müssen. Das Modell zeigt, dass sich die Photonen entlang des Pfades des Strahls anders bewegen als quer dazu, ähnlich wie ein Teilchen, das sich durch ein Medium bewegt, das in verschiedenen Richtungen unterschiedlichen Widerstand bietet. Die Forscher verifizierten ihr vereinfachtes Modell durch den Vergleich mit vollständigen, detaillierten numerischen Simulationen, und die Ergebnisse stimmten eng überein. Diese Übereinstimmung gibt Vertrauen, dass das vereinfachte Bild die wesentliche Physik der Situation erfasst, ohne dass jedes Mal die komplexeste Version der Gleichungen gelöst werden muss.

Diese Erkenntnisse etablieren, dass die transversale Rydberg-Blockade ein messbarer und eigenständiger Mechanismus zur Erzeugung von Korrelationen zwischen Photonen ist. Während frühere Experimente darauf fokussiert waren, wie Photonen in der Zeit zusammenballen (bunching) oder sich aus dem Weg gehen, zeigt diese Arbeit, dass sie dies auch im Raum tun. Die Fähigkeit, diese räumlichen Korrelationen zu kontrollieren und zu messen, öffnet die Tür zur Erzeugung komplexer Quantenzustände des Lichts, die in höheren Dimensionen existieren. Solche Zustände könnten mehr Informationen tragen als einfache An/Aus-Signale und bieten neue Ressourcen für die Quantenkommunikation und das Quantencomputing. Die Studie behauptet nicht, bereits ein funktionierendes Gerät gebaut zu haben, aber sie liefert das theoretische Fundament und die spezifischen Vorhersagen, die für den Entwurf solcher Experimente notwendig sind. Indem sie aufzeigen, dass der Blockaderadius eine harte Grenze dafür setzt, wie nah Photonen sich in der transversalen Richtung kommen können, haben die Forscher eine neue beobachtbare Größe identifiziert, die dazu verwendet werden kann, die fundamentalen Eigenschaften der Licht-Materie-Wechselwirkung zu untersuchen.