Assim como no tráfego rodoviário normal, os cruzamentos são indispensáveis ​​no processamento de sinais ópticos. Para evitar colisões, uma regra de tráfego clara é necessária. Um novo método foi desenvolvido na TU Wien para fornecer essa regra para sinais de luz. Para este propósito, as duas fibras de vidro foram acopladas em seu ponto de intersecção a um ressonador óptico, em que a luz circula e se comporta como uma rotatória. A direção da circulação é definida por um único átomo acoplado ao ressonador. O átomo também garante que a luz sempre saia da rotatória na próxima saída. Essa regra ainda é válida mesmo se a luz consistir apenas em fótons individuais. Conseqüentemente, essa rotatória será instalada em chips ópticos integrados - uma etapa importante para o processamento de sinais ópticos.

Processamento de sinal usando luz em vez de eletrônica

O termo "circuladores ópticos" refere-se a elementos no ponto de intersecção de duas fibras ópticas perpendiculares entre si que direcionam os sinais de luz de uma fibra para a outra, para que a direção da luz sempre mude, por exemplo, em 90 ° no sentido horário.

"Esses componentes têm sido usados ​​há muito tempo para propagar livremente feixes de luz, "diz Arno Rauschenbeutel do Centro de Viena para Ciência e Tecnologia Quântica do Instituto de Física Atômica e Subatômica de TU Wien." Esses circuladores ópticos são baseados principalmente no chamado efeito Faraday:um forte campo magnético é aplicado a um material transparente , que está localizado entre dois divisores de feixe de polarização que são girados um em relação ao outro. A direção do campo magnético quebra a simetria e determina para qual direção a luz é redirecionada. "

Contudo, por razões técnicas, componentes que fazem uso do efeito Faraday não podem ser realizados nas pequenas escalas da nanotecnologia. Isso é lamentável, pois esses componentes são importantes para futuras aplicações tecnológicas. "Hoje, estamos tentando construir circuitos ópticos integrados com funções semelhantes, como são conhecidos na eletrônica, "diz Rauschenbeutel. Outros métodos para quebrar a simetria da função de luz apenas em intensidades de luz muito altas ou sofrem grandes perdas ópticas. na nanotecnologia, gostaria de ser capaz de processar sinais de luz muito pequenos, idealmente, pulsos de luz que consistem apenas em fótons individuais.

Duas fibras de vidro e uma garrafa de luz

A equipe de Arno Rauschenbeutel escolhe um caminho completamente diferente:eles acoplam um único átomo de rubídio ao campo de luz de um chamado "ressonador de garrafa" - um objeto microscópico de vidro bulboso em cuja superfície a luz circula. Se tal ressonador for colocado nas proximidades de duas fibras de vidro ultrafinas, os dois sistemas se acoplam. Sem um átomo, a luz muda de uma fibra de vidro para a outra por meio do ressonador de garrafa. Desta maneira, Contudo, nenhum sentido de circulação é definido para o circulador:luz, que é desviada em 90 ° no sentido horário, também pode viajar de volta pela mesma rota, ou seja, no sentido anti-horário.

A fim de quebrar essa simetria para frente / para trás, A equipe de Arno Rauschenbeutel também acopla um átomo ao ressonador, que impede o acoplamento da luz ao ressonador, e, portanto, o overcoupling na outra fibra de vidro para uma das duas direções de circulação. Para este truque, uma propriedade especial da luz é usada na TU Wien:a direção de oscilação da onda de luz, também conhecido como polarização.

A interação entre a onda de luz e o ressonador da garrafa resulta em um estado de oscilação incomum. "A polarização gira como o rotor de um helicóptero, "Arno Rauschenbeutel explica. O sentido de rotação depende se a luz no ressonador se desloca no sentido horário ou anti-horário:em um caso, a polarização gira no sentido anti-horário, enquanto no outro caso ele gira no sentido horário. A direção da circulação e a polarização da luz são, portanto, travadas.

Se o átomo de rubídio estiver corretamente preparado e acoplado ao ressonador, pode-se fazer com que sua interação com a luz seja diferente para as duas direções de circulação. "A luz circulante no sentido horário não é afetada pelo átomo. A luz na direção oposta, por outro lado, acopla-se fortemente ao átomo e, portanto, não pode entrar no ressonador, "diz Arno Rauschenbeutel. Essa assimetria do acoplamento átomo-luz em relação à direção de propagação da luz no ressonador permite o controle sobre o funcionamento do circulador:a sensação de circulação desejada pode ser ajustada através do estado interno do átomo.

"Porque usamos apenas um único átomo, podemos controlar sutilmente o processo, "diz Rauschenbeutel." O átomo pode ser preparado em um estado no qual as duas regras de trânsito se aplicam ao mesmo tempo:todas as partículas de luz viajam juntas através do circulador nos sentidos horário e anti-horário. "Felizmente, isso é impossível de acordo com as regras da física clássica, pois isso resultaria em caos no tráfego rodoviário. Na física quântica, no entanto, tais superposições de diferentes estados são permitidas, o que abre possibilidades inteiramente novas e excitantes para o processamento óptico da informação quântica.