Et samarbejde foretaget i forskningsgrupperne hørende under Klaus Mølmer og Thomas Pohl ved Center for Complex Quantum Systems (CCQ) på IFA viser, hvordan man genererer foton-foton vekselvirkning med ultra-tynde rækker af Rydberg atomer.

Fotoner, lysets elementære kvanter, kan krydse hinanden uhindret. Denne grundlæggende egenskab ved lys er fundamental for funktionerne i moderne kommunikationsnetværk, da den muliggør transmission af optisk information over lange afstande med lav forvrængning. Der er dog mange andre anvendelser, der ville blive mulige, hvis fotoner kunne vekselvirke stærkt med hinanden. Nuværende måder til at generere sådanne effektive foton-foton-vekselvirkninger er baseret på en stærk kobling af lys til en enkelt kvantekilde, eller de anvender store ensembler af partikler med stærke gensidige vekselvirkninger.

Nyere forskning udført af Lida Zhang, Klaus Mølmer og Thomas Pohl fra CCQ sammen med tidligere IFA postdoc Valentin Walther fra Harvard Universitet undersøger nye måder at realisere syntetisk vekselvirkning imellem fotoner.

Stærk kobling mellem lys og et optisk medium opnås ofte ved at koble atomerne til så mange atomer som muligt. For nyligt har man opdaget en alternativ måde, hvor atomer i to-dimensionelle ordnede gitre viser sig at realisere fremragende lys-stof-grænseflader. Selvom de kun har en tykkelse på et enkelt atom, har sådanne mesoskopiske gitre bemærkelsesværdige optiske egenskaber og kan for eksempel fungere som et perfekt spejl. Beregningerne har vist, at højt eksiterede tilstande i sådanne gitre realiserer et meget effektivt kvantefilter, der transmitterer en enkelt foton perfekt, hvorimod lys med mere end én foton reflekteres.  

En række nye eksperimenter har anvendt disse optiske gitre til at fange atomer i regulære ordnede gitre og har allerede succesfuldt demonstreret en sammenhængende refleksion af lys ved brug af denne fremgangsmåde. I sidste ende kan den ny opdagede mekanisme således gøre det muligt at bygge mesoskopiske ikke-lineære elementer til at manipulere og behandle optisk kvanteinformation – et spændende perspektiv, som de to CCQ teams i øjeblikket undersøger.   

Forskningsresultaterne er udgivet i

L. Zhang, V. Walther, K. Mølmer, and T. Pohl, Photon-photon interactions in Rydberg-atom arrays, Quantum 6, 674 (2022)  https://doi.org/10.22331/q-2022-03-30-674