PML’i Kvantmõõtmise osakonna teadlased said esmakordselt valguse kiirust ületavad valgusimpulsid mittelineaar-optilise efekti – nelja laine segunemise (four-wave mixing) abil. Uurijad tekitasid kaks valgusimpulssi, mille tipud levivad kiiremini kui valgus vaakumis.
Laserijahutuse ja -lõksustamise töörühma uurija Paul Lett koos kolleegidega tutvustab teadusajakirja Physical Review Letters vastilmuvas numbris uut „kiire valguse“ genereerimise meetodit. Selle abil said nad impulsi, mis läbib 1,7 cm-se vahemaa kuni 50 nanosekundit kiiremini, kui sellel kuluks vaakumit läbides, kirjutab Phys.org.
Joonis 1. Skemaatiline diagramm PML’i Laserijahutuse ja -lõksustamise töörühmas teostatud kiire valguse eksperimendist. Paremal üleval on näidatud rubiidiumi aatomi energiatasemed, mis olid eksperimendi jaoks olulised. Vasakul all on esitatud sageduste lahkuhäälestuse ja võimenduse vahekord. Pilt: Phys.org
Uurimustöö tulemustel võib olla oluline mõju optilistele kommunikatsioonisüsteemidele, mille signaalikvaliteeti võib saada parendada impulsi kiirendamise või aeglustamisega. Lisaks annab „iduimpulsside“ ja konjugeeritud e. pöördimpulsside vaheliste korrelatsioonide uurimine põhilisi teadmisi kvantsidususest ning võib endaga kaasa tuua võimalikke rakendusi tuleviku kvant-infotöötluses.
Mitmed valgusest kiiremate impulsside tekitamise meetodid tuginevad eri lainepikkusega valgusest koosneva impulsi saatmisel läbi mittelineaarse võimenduskeskkonna. Selle keskkonna dispersiooniomadused (see tähendab, kuidas keskkond muudab seal levivate lainete faasikiirust) põhjustavad impulsi eri lainepikkustega komponentide ajalise nihke nii, et impulsi tippu nihutatakse ettepoole, mis tekitab tervele lainegrupile näiva valguse kiirusest suurema kiiruse. On võimalik saada vastupidiselt ka „aeglase valguse“ impulsse tingimuste ümberkohandamisega nii, et impulsi tippu nihutatakse tahapoole.
PML’i nelja laine segunemise katses (vt Joonis 1) saadavad uurijad koos pumpava laserikiirega sellest erineva sagedusega idu-kiire impulsse kuumutatavasse kambrisse, mis sisaldab võimenduskeskkonda, atomaarse rubiidiumi auru. Keskkonnas võimendatakse iduimpulssi ja selle tippu nihutatakse ettepoole nii, et tulemusena impulss justkui liigub valguse kiirusest kiiremini. Keskkonnas levivate valgusväljade vastasmõju tulemusel tekib lisaks niinimetatud konjugeeritud valgusväli e. „pöördimpulss“. See impulss on nime saanud oma matemaatilise suhte tõttu „iduga“. Teadlased avastasid, et ka selle tipp võib liikuda kiiremini kui muundamata võrdlusimpulss liiguks vaakumis. Samuti võib seda häälestada aeglasemalt liikuma.
Joonis 2. Kiire valguse tekitamiseks kasutati eelmistes eksperimentides võimendusspektri kaksikpiike (a), millele vastavais murdumisnäitaja sagedussõltuvuses on ulatuslik punasega märgitud lineaarse dispersiooni piirkond. NISTi eksperimendis kasutati võimendusspektri üksikpiigi külgi (b), millele vastava dispersioonikõvera punasega märgitud piirkond toodaks kiiret valgust ning mustaga rõhutatud piirkond toodaks aeglast valgust. Pilt: Phys.org
Joonisel 2a on näidatud keskkonna võimendusteguri ja vastava murdumisnäitaja sagedussõltuvust graafiliselt. Spektrijoone e. piigi negatiivse kallakuga alad vastavad tingimustele, mil impulsi erineva sagedusega koostisosad „näevad“ erinevat muutust murdumisnäitajas, kui impulss läbib keskkonda. See põhjustab impulsi saeduskomponentide omavahelist ümberfaseerumist ja seeläbi impulsi tipu moodustumist eespool kohast, kus see oleks pidanud olema. Uurijad on võimelised tekitama seesugust dispersiooni, „pumbates“ võimenduskeskkonda õigete sagedustega. Letti sõnul on selle meetodi probleemiks asjaolu, et võimenduspiigid on tihti teineteisest nii kaugel, et murdumisnäitaja kõvera kallak nende vahel pole kuigi järsk. Seetõttu pole ka tulemuseks saadav valgusimpulsi maksimumi liikumine normaalsest kuigivõrd kiirem.
Selle asemel kasutasid uurijad Ryan Glasser ja Ulrich Vogl meetodit, mis on sarnasem aeglase valguse genereerimiseks kasutatavale (näidatud joonisel 2b). Eraldiseisva üksiku võimendusteguri piigi vasakule küljele vastab tugeva negatiivse kallakuga dispersioon kitsa sagedusala keskel. Selle tõttu sinna alasse häälestatud sagedusribaga impulss aeglustub. Häälestades aga laseri sageduse võimenduse haripunktist veidi paremale, olid teadlased võimelised ära kasutama teistsugusele dispersioonikõvera osale, millel on järsk positiivne kallak. See viib taas kiirevalguse tekkele aeglase valguse asemel. Kuna see kallak on järsem kui võimendusteguri kaksikpiigi vahel, on impulsside kiiruse muutus siin suurem.
Joonis 3. Eelnev uurimustöö kvantinformatsiooni kirjutamisega valguskiirde näitas, kuidas kassi näo kujutist, mis tekkis valguse saatmisel läbi maski, oleks võimalik edasi saata. Selle tulemuseks oleks korrelatsioonis olevad põimunud footonitega kujutised. Nelja laine segunemine võimendab esialgset pilti ja genereerib teise, millel lokaalne intensiivsus ja faas korreleeruvad esimese pildiga. Pilt: Phys.org
Kommunikatsiooniuurijad pakkusid välja, et aeglane valgus võib käituda kontrollitava viivisliinina või salvestuskeskkonnana kvantinformatsiooni kandva valguse jaoks. Teise võimalusena võib Letti rühma poolt vaadeldud kiire konjugeeritud valgusimpulss olla kvantinformatsiooni registreerimismeetodite edendajaks, kui kiire valgus peaks sisaldama kvantsidusust säilitama kvant-koherentsust. (NISTi teadlased rõhutasid, et ehkki informatsiooni detekteerimist oleks niimoodi võimalik parendada, ei saaks informatsioon levida valguse kiirusest (vaakumis) kiiremini ja järelikult nendes eksperimentides ei rikutud selliseid füüsika alusprintsiipe nagu põhjuslikkus erirelatiivsusteoorias.)
Uurimisrühm on juba demonstreerinud pildi ülekannet, suunates idukiirekimbu läbi maski enne kui see katsekambrisse suunati. (Vt. joonis 3.) Uues uurimusess levib kujund kanbriõõnsuses kiiremini kui etalonpilt, kuid see moondub ruumis ja ajas. Lett põhjendab moondumist muutustega idukiire intensiivsuses ja auruõõnsuses endas. „Erinevates pildi piirkondades on näha erinevust valguse edenemises,“ sõnas ta.
Üheks võimalikuks viisiks, kuidas konjugeeritud kujutist parendada, on vähendada auruõõnsuses olevat temperatuuri ebaühtlust. Lett ja Glasser arvavad aga, et selle moondumise võiks eemaldada pumpava laseri võimsuse tõstmine ja ühtlasema valguskiire loomine.
Lisaks peavad teadlased kindlaks tegema, kuivõrd kahjustab eksperimendiseade ise valguses oleva informatsiooni kvaliteeti. Kõrge ja madala sagedusega idukiire spektraalkomponendid jäävad kiiret valgust andvast sagedusvahemikust välja, nagu näha joonisel 2, ja moondavad impulsse. See tähendab, et uurijad peavad seadma tingimuse, otsustamaks, millal jõudis impulssi sisaldav informatsioon nende detektorini. Nad pakkusid lahendusena välja sujuva kujuga impulsside kasutamise, mille spekter on piisavalt kitsas, mahtumaks eelpool mainitud spektripiirkonda, kuid samas jälgides ka pildis sisalduva ruumilise informatsiooni signaal-müra suhet. Lett on tulemuse suhtes endiselt lootusrikas: „Me võime jälgida, et see suhe oleks piisavalt hea ja ühtlasi tõdeda, et me võime lükata informatsiooni lugemist ettepoole ja öelda, et reaalse detektori ja reaalsete impulsside korral oleme võimelised registreerima informatsiooni saabumist varem.“
Peamiseks väljakutseks, mis eksperimendi käigus ette tuli, oli pumpava laseri sageduse stabiilsus. Glasseri sõnul oli neil raskusi „laseri kohendamisel, et see korralikult käituks ja oleks ühemoodiline üle meid huvitavate sageduste vahemiku. See oli tõenäoliselt kõige masendavam aspekt.“ Lisaks polnud teadlased neil sagedustel võimelised leidma kaubanduslikult kättesaadavat lasersüsteemi, mis andnuks vajaliku optilise võimsuse.
Üks kohene rakendus, mida meeskond sooviks selle süsteemi jaoks uurida, on kvant-vastuolu. Matemaatiliselt defineerib kvant-vastuolu kvantinformatsiooni, mida kannavad kaks korrelatsioonis olevat süsteemi, mis käesoleval juhul on idu- ja konjugeeritud impulss. On võimalik, et valguse kiirendamine või aeglustamine tooks süsteemi müra, mis hävitaks kahe süsteemi põimituseks vajalikukvant-koherentsi. Kiirete kiirte ja tugikiirte vahelise kvant-ebakõla mõõtmisega loodab uurijate meeskond määrata, kui kasulik oleks kiire valgus kvantinformatsiooni edastamisel ja töötlemisel.
Teadusartikkel: „Stimulated generation of superluminal light pulses via four-wave mixing“
Tõlke korrektsusele aitas kaasa akadeemik Peeter Saari.
Leave a Reply