Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade

Licht gedraagt zich gewoonlijk als een stroom van onafhankelijke deeltjes, die zonder een tweede gedachte door elkaar heen passeren. Om licht met zichzelf te laten interageren, zoeken wetenschappers al lang naar manieren om fotonen te dwingen invloed op elkaar uit te oefenen, een prestatie die de manier waarop we informatie verwerken en kwantumcomputers bouwen, zou kunnen revolutioneren. Een van de meest veelbelovende manieren om dit te bereiken, is het vangen van licht in een wolk van extreem koude atomen. Wanneer deze atomen worden opgewekt naar een hoogenergetische toestand, bekend als een Rydberg-toestand, worden ze enorm en oefenen ze een krachtige invloed uit op hun buren. Deze invloed creëert een "blokkade", een zone waar de aanwezigheid van één aangeslagen atoom voorkomt dat een andere nabijgelegen atoom op dezelfde manier wordt aangeslagen. In het verleden hebben onderzoekers dit effect succesvol gebruikt om fotonen te laten interageren, maar ze hebben deze interacties voornamelijk langs een enkele lijn bekeken, waarbij ze de lichtstraal behandelden alsof het een dunne draad was. Deze aanpak heeft rijke gedragingen in de tijd onthuld, maar heeft de volledige driedimensionale aard van de interactie grotendeels onverkend gelaten.

Een team natuurkundigen heeft nu dit perspectief uitgebreid door een theorie te ontwikkelen die beschrijft hoe twee fotonen niet alleen langs hun pad interageren, maar ook over de breedte van de straal. Door de beweging van fotonen door een tweedimensionale wolk van atomen te simuleren, ontdekten de onderzoekers dat de regels die bepalen hoe deze deeltjes elkaar vermijden fundamenteel verschillend zijn afhankelijk van de richting. Wanneer men naar de interactie kijkt in de richting waarin het licht reist, gedragen de fotonen zich alsof ze diffunderen, of uitspreiden, door de manier waarop de atomen op het licht reageren. Echter, wanneer men naar de interactie over de breedte van de straal kijkt, gedragen de fotonen zich als lichtgolven die diffracteren rond een obstakel, waarbij ze uitspreiden in een patroon dat wordt bepaald door de golfaard van het licht zelf. Dit onderscheid is cruciaal omdat het betekent dat de "verboden zone" waar twee fotonen niet gelijktijdig kunnen bestaan, gevormd wordt door twee verschillende fysische mechanismen die tegelijkertijd aan het werk zijn.

De onderzoekers modelleerden een scenario waarin een laserstraal, gevormd als een gladde klokvorm, door een wolk van atomen gaat die eveneens de vorm van een klok heeft. Ze berekenden het gedrag van twee fotonen terwijl ze door dit medium reizen, waarbij ze bijhielden hoe de waarschijnlijkheid om hen samen aan te treffen verandert in zowel de voorwaartse als de zijwaartse richting. Hun berekeningen toonden aan dat de regio waar de fotonen geblokkeerd worden om dicht bij elkaar te zijn, geen perfecte cirkel is. In plaats daarvan strekt het zich uit tot een ovale vorm. De lengte van dit ovaal wordt bepaald door hoe snel de atomen op het licht kunnen reageren, een factor die gerelateerd is aan de bandbreedte van de interactie. De breedte van het ovaal wordt echter rechtstreeks bepaald door de fysieke grootte van de blokkaderadius, de afstand waarover de Rydberg-atomen elkaar afstoten. Deze bevinding bevestigt dat de transversale, of zijwaartse, interactie een afzonderlijk fenomeen is dat onafhankelijk van de tijdsgebonden interacties uit het verleden gemeten kan worden.

Om de schaal van dit effect te begrijpen, varieerde het team de grootte van de inkomende laserstraal ten opzichte van de grootte van de blokkade. Wanneer de straal veel breder was dan de blokkadezone, creëerden de fotonen een duidelijk, donker gat in het midden van de outputstraal, precies waar de blokkade hen verhinderde te zijn. Dit gat had een breedte die overeenkwam met de grootte van de blokkaderadius, ongeveer twee keer de afstand waarover de atomen elkaar afstoten. Echter, wanneer de straal smaller was dan de blokkadezone, veranderde het effect. Het scherpe gat verdween en werd vervangen door een verbreding van het licht, veroorzaakt door de natuurlijke spreiding van de straal terwijl deze reist. Deze transitie markeert een verschuiving van een regime waarin de atomaire interactie domineert naar een regime waarin de golfaard van het licht de overhand neemt. De simulaties suggereren dat door het ruimtelijke patroon van het licht te meten nadat het de wolk heeft verlaten, wetenschappers direct de grootte van de blokkaderadius kunnen bepalen, wat een nieuwe en precieze manier biedt om deze kwantuminteracties te meten.

Het werk steunt op een wiskundig model dat de complexe negendelige beschrijving van het foton-atoom-systeem vereenvoudigt tot één enkele, gemakkelijker te begrijpen vergelijking. Deze vergelijking behandelt de twee fotonen als één entiteit die door een landschap beweegt dat gevormd is door de atomen. In dit landschap fungeren de atomen als een potentiaalheuvel waar de fotonen doorheen moeten navigeren. Het model laat zien dat de fotonen anders bewegen langs het pad van de straal vergeleken met dwars erop, vergelijkbaar met een deeltje dat door een medium beweegt dat weerstand biedt in verschillende richtingen. De onderzoekers verifieerden hun vereenvoudigde model door het te vergelijken met volledige, gedetailleerde numerieke simulaties, en de resultaten kwamen nauw overeen. Deze overeenstemming geeft vertrouwen dat het vereenvoudigde beeld de essentiële fysica van de situatie vangt zonder dat telkens de meest complexe versie van de vergelijkingen moet worden opgelost.

Deze bevindingen vestigen dat de transversale Rydberg-blokkade een meetbaar en afzonderlijk mechanisme is voor het creëren van correlaties tussen fotonen. Terwijl eerdere experimenten zich hebben gericht op hoe fotonen in de tijd clusteren of elkaar vermijden, toont dit werk aan dat zij dat ook in de ruimte doen. Het vermogen om deze ruimtelijke correlaties te controleren en te meten, opent de deur naar het creëren van complexe kwantumtoestanden van licht die in hogere dimensies bestaan. Dergelijke toestanden kunnen meer informatie dragen dan eenvoudige aan-uit-signalen, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor kwantumcommunicatie en kwantumcomputing. De studie beweert nog geen werkend apparaat te hebben gebouwd, maar biedt de theoretische basis en de specifieke voorspellingen die nodig zijn om dergelijke experimenten te ontwerpen. Door aan te tonen dat de blokkaderadius een harde limiet stelt aan hoe dicht fotonen bij elkaar kunnen komen in de transversale richting, hebben de onderzoekers een nieuwe observeerbare variabele geïdentificeerd die gebruikt kan worden om de fundamentele eigenschappen van de interactie tussen licht en materie te onderzoeken.