Historisk overblikk: Kvanteoptiske eksperimenter

Det er ikke enkelt å si når kvanteoptikken ble født. Man kan gjerne spore den tilbake helt til opprinnelsen av kvantemekanikken som sådan. Både kvalitative og kvantitative diskusjoner av lysets natur var jo – og fortsatt er – sentrale elementer av kvantemekanikkens utvikling. Men dersom man skal betrakte kvanteoptikk, både teoretisk og eksperimentell, som et tydelig avgrenset delområde av kvantefysikken, er det rimelig å si at den kom for dagen rundt 1960. I dette året ble den første fungerende laseren konstruert av Theodore Maiman ved Hughes Research Laboratories i Kalifornia. Maimans laserlys var generert ved hjelp av en syntetisk rubikrystall, og litt senere i samme året ankom første gasslasere (baserte på helium og neon) på scenen. I 1962 ble laserfamilien utvidet med halvlederlasere (laserdioder). De forskjellige lasere viste seg fort å være krafitge eksperimentelle verktøy som åpnet døra til mange spennende forskningsområder som man tidligere kunne bare drømme om. Siden da har kvanteoptikken gjennomgått en rivende utvikling, noe som illustreres best ved hjelp av banebrytende eksperimenter utført i løpet av de siste 50 år. Nedenfor nevner vi noen av disse. Legg merke at så å si alle benyttet seg av lasere.

1961: Generasjonen av den andre harmoniske. I 1961 sendte Franken m.fl. laserlyset med bølgelengde på 694 nm gjennom et kvartzstykke og konverterte det til en stråle med bølgelengde på 347 nm. Slike konverteringer mellom ulike lysfrekvenser (generelt omtalt som frekvensblandingsprosesser) er uunværlige i dagens kvanteoptiske eksperimenter. Én grunn til dette er at ikke alle bølgelengder lar seg produsere med stor nok effekt og god nok kvalitet i tilgjengelige lasere (til tross for at det finnes mange av disse). I dag foregår frekvensblandig ved hjelp av teknologisk avanserte ikke-lineære krystaller. Omdanningsprosesser knyttet til dem er også svært interessante i seg selv.

1967: Interferens av uavhengige laserstråler. Interferens av "enkle fotoner" som farer gjennom et optisk oppsett og produserer det karakteristiske stripemønstret, er hovedmomentet når man diskuterer bølge-partikkel dualismen av lys. Imidlertid mente Dirac at fotoner kan kun interferere med seg selv. Pfleegor og Mandel utfordret dette synet i 1967 ved å gjennomføre et eksperiment der laserstråler fra to uavhengige kilder interfererte med hverandre. Vel å bemerke at det første forsøket av denne typen ble utført fire år tidligere av Magyar og Mandel. Pfleegor og Mandels demonstrasjon regnes allikevel som bedre. Det som er interessant er at Pfleegor og Mandel til syvende og sist tolket sitt resultat slikt at Diracs syn ble ikke forkastet, men faktisk forsvaret, og til og med (på en måte) forsterket. Som sagt et annet sted er tolkninger av eksperimenter spesielt viktig i kvanteoptikk – men burde derfor utfordres.

1972: Rabioscillasjoner. Det vanlige bildet av kvantiserte energitilstander forteller oss at et atom kan gå ned fra et høyere energinivå til et lavere energinivå ved å sende ut et foton. Omvendt, atomet kan også gå opp fra et lavere til et høyere energinivå ved å absorbere et foton. Dersom vi belyser en mengde atomer (f.eks. en gass) med en laser og dersom resonansbetingelsen er oppfylt, kan vi forvente at atomene vil starte å vekselvirke med laserstrålen. Som følge av denne vekselvirkningen vil de regelmessig oscillere mellom de to (eventuelt flere) involverte energinivåer. Dette er det prinsippet som forsterkningsmekanismen i en laser bygger på, men det kan også studeres i sin "renere" form utenfor laseren. Rabioscillasjoner (oppkalt etter mannen som forutsa dem på teoretisk basis i 1937) ble observert direkte for første gang av Gibbs i 1972.

1975: Dopplernedkjøling. Laserstråler er energetiske, så de kan gjerne assosieres med oppvarming, men faktisk kan de også brukes til å kjøle atomer ned til veldig lave temperaturer. I dag finnes det en rekke varianter for lasernedkjøling, men den historisk første var Dopplernedkjøling demonstrert i 1975 av to uavhengige forskningsgrupper. Denne metoden bygger på vekselvirkning mellom fotoner fra laserfeltet og atomer som befinner seg inni strålen. Fordi atomene og strålen beveger seg i forhold til hverandre, er det aktuelt å snakke om en relativ frekvensforskyvning, og denne Dopplereffekten fører til at atomene mister sin bevegelsesmengde og dermed saktner ned. Mer raffinerte typer av lasernedkjøling som ble oppdaget etter hvert kan redusere temperaturen til så lite som 2 µK.

1977 & 1985: Antibunching og sub-Poissonsk fotonstatistikk. Hva er et foton? Hvis det skal forstås som noe punkt- eller partikkelaktig burde vi ha en eksperimentell mulighet for å måle fotoner ett og ett. Videre, må disse fotonene, iallfall av og til, forekomme godt separert i rommet, fordi hvis de heller alltid "klumper" seg sammen, så vil vi aldri kunne vite hvorvidt vi måler "fotoner" (noe diskret) eller et elektromagnetisk "felt" (noe kontinuerlig). Dette er en intuitiv måte å betrakte situasjonen på, men også teorien viser at det å behandle lys på en kvantemekanisk måte gir opphav til spennende deteksjonsstatistikk. To kjennetegn av denne statistikken er såkalt antibunching (der fotoner er "godt separert" i rommet) og sub-Poissonsk fotonstatistikk (der fotoner detekteres med stor grad av regelmessighet). Verken antibunching eller sub-Poissonsk fotonstatistikk kan knyttes til klassiske lyskilder, f.eks. til lys fra en vanlig termisk lampe. Oppdager man disse fenomenene, er det derfor et tegn på at det foregår noe uvanlig i lyskilden. Og oppdaget ble de! Antibunching var demonstrert for første gang av Kimble m.fl. i 1977, og sub-Poissonsk fotonstatistikk av Short og Mandel i 1983.

1981-82: Alain Aspects eksperimenter. Sammenfiltring av kvantemekaniske objekter er ett av de mest underlige implikasjoner av den kvantemekaniske formalisme. Dette har blitt forstått siden 1935 da Einstein, Podolsky og Rosen publiserte den berømte artikkelen "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?", men det var Schrödinger som lanserte ordet "Verschränkung" (som oversettes til "entanglement" på engelsk og til "sammenfiltring" på norsk). På 50-tallet foreslo David Bohm en modifisert, men ekvivalent, versjon av Einsteins, Podolskys og Rosens tankeeksperiment, og i 1964 viste John Bell hvordan EPR-paradokset kan forstås i lys av Bells ulikheter. Disse ulikhetene ble testet eksperimentelt for første gang allerede i 1972 av Freedman og Clauser, men det var Alain Aspect som ti år senere gjennomførte de mest kjente forsøk av denne typen. Sammenfiltring har blitt et vitenskapelig faktum som gjør narr av vår "makroskopiske" intuisjon, men den dag i dag strides det fortsatt om hvordan dette fenomenet egentlig skal tolkes.

1985: Squeezed states. Heisenbergs usikkerhetsprinsipp i sin vanlige form sier at posisjonen og bevegelsesmengden til en partikkel (for eksempel) ikke kan bestemmes med vilkårlig stor presisjon. Usikkerhetsprinsippet kan anvendes også på elektromagnetiske felt, men da snakker vi heller om usikkerheter i antall fotoner og i feltets fase (merk for øvrig at det slett ikke er lett å definere fase kvantemekanisk). Siden det er produktet av fotonantall- og faseusikkerheter som har sin minste verdi, i prinsippet burde det være mulig å redusere den ene usikkerheten så mye som vi måtte ønske, fortsatt at den andre usikkerheten økes tilsvarende mye. Dette prinsippet ble realisert i den eksperimentelle demonstrasjonen av såkalte squeezed states av Slusher et al. i 1985. Fra squeezed states går det en viktig kobling videre til kvantemekanisk støy. Fasestøy ødelegger for interferometriske målinger, mens ampltitudestøy ødelegger for spektroskopiske målinger. Evnen å kunne manipulere disse to støytypene er derfor viktig for eksperimentalister.

1989: Dobbelspalteeksperiment med elektroner. "Alle" har hørt om det berømte eksperimentet der elektroner sendes ett og ett gjennom en en dobbelspalte, noe som fører til at hvert elektron interfererer med seg selv og at vi ender opp med et karakteristisk diffraksjonsmønster på en skjerm bak. Men ikke alle vet at dette eksperimentet var kun et tankeeksperiment for overraskende lang tid. Det første virkelige (og presise) eksperimentet av denne typen ble gjennomført så sent som i 1989. Mannen bak var Akira Tonomura. Ingen overraskelser dukket opp, og empiri bekreftet forventninger. I 1999 mye større objekter ble brukt i et liknende forsøk: Anton Zeilingers gruppe diffrakterte enkle fullerenmolekyler. De Broglies relasjon ble bekreftet på større skala. Hva er det største materielle objektet man kan lage et interferensmønster ved hjelp av? Per i dag er svaret ukjent.

1995: Bose-Einstein kondensat. Fermioner kan ikke dele kvantetilstander, men bosoner, som ikke er underkastet Paulis eksklusjonsprinsipp, får lov til det. Dersom svakt vekselvirkende bosoner nedkjøles til en ekstremt lav temperatur (mindre enn 1K), vil en ny materietilstand oppstå. I Bose-Einstein kondensater er kvantemekaniske effekter tilstedeværende på en makroskopisk skala, noe som gjør til dem til svært interessante studieobjekter. Som navnet tilsier, ble Bose-Einstein kondensater forutsagt av Einstein og Bose. Det skjedde i 1924-1925, men det tok sytti år før kondensater ble påvist eksperimentelt av Cornell og Wieman (og påvisningen ble belønnet med Nobelspris i 2001). Hva har dette med kvanteoptikk å gjøre? Den store delen av nedkjølingsjobben gjøres nemlig ved hjelp av lasere (se ovenfor), så kvantemekaniske prinsipper kommer fort inn i bildet. Dessuten åpnet Bose-Einstein kondensater veien videre til atomlasere (se nedenfor).

1997: Atomlasere. Vi gjerne forestille oss en laser som en lysbølge med veldig stor koherenslengde. Men gitt at det finnes også materiebølger (i kraft av bølge-partikkel dualismen, de Broglies relasjon og dobbelspalteeksperimenter med elektroner), kan en "laser" dannet av koherente materiebølger være tenkelig? På slutten av 1990-tallet viste det seg at svaret er ja. Nøkkelen til atomlaseren er Bose-Einstein kondensat der de fengslede atomene, representerte som bølger, oppfører seg omtrent som lysbølger lukket i en kavitet ved hjelp av to ideelle speil plassert i begge ender. Det er ikke en enkel sak å slippe disse materiebølgene ut uten å ødelegge hele kondensaten, men etter hvert ble det oppnådd og første koherente materiepulser ble demonstrert i 1997 av Wolfgang Ketterle og andre. Foreløpig har det ikke skjedd noen stort gjennombrudd innenfor feltet, men allikevel regner man med at i løpet av kort tid vil atomlasere revolusjonisere vitenskap og verden like mye som lyslasere gjorde det på 60- og 70-tallet. Synd at navnet "maser" allerede er reservert for noe annet...

1997-98: Kvanteteleportasjon. En potensielt banebrytende anvendelse av kvantemekanisk sammenfiltring er kvanteteleportasjon. Et viktig teorem forteller oss at det ikke er mulig å kopiere et kvantemekanisk system ("no-cloning theorem"). Derimot kan vi overføre kvanteinformasjon om et system til et annet sted og rekonstruere systemet på dette andre stedet, forutsatt at det opprinnelige eksemplaret av systemet ødelegges i prosessen. Dette er prinsippet bak kvantemekanisk teleportasjon, og det ble allerede realisert. Bouwmester et al. teleporterte enkle fotoner i 1997-98. Da var det bare polarisasjonsegenskapen som ble tatt med, men teoretisk sett står det ingen ting i veien for å kunne teleportere også større systemer.

2002: Strømdrevne enkeltfotonkilder. Videre arbeid med det praktiske aspektet av antibunchet lys (se ovenfor) førte til en utvikling av enkeltfotonkilder der emisjon av fotoner kunne avtrekkes on-demand. Fortalt mest enkelt snakker vi her om en eller annen form for "black box" med en "knapp" – trykkes knappen, så sendes det ett, og bare ett, foton ut av boksen. En slik kilde er svært ettertraktet med tanke på anvendelser innenfor kvantekommunikasjon og kvantekryptografi, men den gir jo også et viktig innblikk i lysets natur som sådan. Eksperimenter med enkeltfotonkilder ble beskrevet for første gang i 2000 der forskjellige forskningsgrupper sto bak. I alle tilfellene var kildene avtrekket med en optisk puls (som måtte sendes inn utenfra). I 2002 var enda noe bedre demonstrert av Yuan m.fl. – en enkeltfotonkilde som avtrekkes ved hjelp av elektriske pulser. Slike emisjoner baserer seg på elektroluminescens fra såkalte kvantedots, men catchen er at systemet må kjøles ned til noen få kelvin.