Al igual que en el tráfico rodado normal, Los cruces son indispensables en el procesamiento de señales ópticas. Para evitar colisiones, Se requiere una regla de tráfico clara. Ahora se ha desarrollado un nuevo método en TU Wien para proporcionar una regla de este tipo para las señales luminosas. Para este propósito, las dos fibras de vidrio se acoplaron en su punto de intersección a un resonador óptico, en el que la luz circula y se comporta como en una rotonda. La dirección de la circulación está definida por un solo átomo acoplado al resonador. El átomo también asegura que la luz siempre salga de la rotonda en la siguiente salida. Esta regla sigue siendo válida incluso si la luz consiste simplemente en fotones individuales. En consecuencia, dicha rotonda se instalará en chips ópticos integrados, un paso importante para el procesamiento de señales ópticas.

Procesamiento de señales usando luz en lugar de electrónica

El término "circuladores ópticos" se refiere a elementos en el punto de intersección de dos fibras ópticas mutuamente perpendiculares que dirigen señales de luz de una fibra a la otra. para que la dirección de la luz siempre cambie, por ejemplo, 90 ° en el sentido de las agujas del reloj.

"Estos componentes se han utilizado durante mucho tiempo para la propagación libre de haces de luz, ", dice Arno Rauschenbeutel del Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuántica en el Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien." Dichos circuladores ópticos se basan principalmente en el llamado efecto Faraday:un fuerte campo magnético se aplica a un material transparente , que se encuentra entre dos divisores de haz de polarización que giran entre sí. La dirección del campo magnético rompe la simetría y determina en qué dirección se redirige la luz ".

Sin embargo, por razones técnicas, los componentes que hacen uso del efecto Faraday no se pueden realizar en las pequeñas escalas de la nanotecnología. Esto es lamentable, ya que dichos componentes son importantes para futuras aplicaciones tecnológicas. "Hoy dia, estamos tratando de construir circuitos integrados ópticos con funciones similares a las que se conocen de la electrónica, ", dice Rauschenbeutel. Otros métodos para romper la simetría de la luz funcionan solo a intensidades de luz muy altas o sufren altas pérdidas ópticas. Sin embargo, en nanotecnología, uno quisiera poder procesar señales de luz muy pequeñas, idealmente pulsos de luz que consisten únicamente en fotones individuales.

Dos fibras de vidrio y una botella para la luz.

El equipo de Arno Rauschenbeutel elige una forma completamente diferente:acoplan un solo átomo de rubidio al campo de luz de un llamado "resonador de botella", un objeto microscópico de vidrio bulboso en cuya superficie circula la luz. Si dicho resonador se coloca cerca de dos fibras de vidrio ultrafinas, los dos sistemas se acoplan entre sí. Sin un átomo la luz cambia de una fibra de vidrio a otra a través del resonador de botella. De este modo, sin embargo, no se define ningún sentido de circulación para el circulador:luz, que se desvía 90 ° en el sentido de las agujas del reloj, también puede viajar hacia atrás por la misma ruta, es decir, en sentido antihorario.

Para romper esta simetría hacia adelante / hacia atrás, El equipo de Arno Rauschenbeutel también acopla un átomo al resonador, que evita el acoplamiento de la luz en el resonador, y por tanto el sobreacoplamiento en la otra fibra de vidrio para una de las dos direcciones de circulación. Por este truco En TU Wien se utiliza una propiedad especial de la luz:la dirección de oscilación de la onda de luz, también conocido como su polarización.

La interacción entre la onda de luz y el resonador de la botella da como resultado un estado de oscilación inusual. "La polarización gira como el rotor de un helicóptero, "Arno Rauschenbeutel explica. La dirección de rotación depende de si la luz en el resonador viaja en sentido horario o antihorario:en un caso, la polarización gira en sentido antihorario, mientras que en el otro caso gira en sentido horario. Por tanto, la dirección de circulación y la polarización de la luz están unidas.

Si el átomo de rubidio está correctamente preparado y acoplado al resonador, se puede hacer que su interacción con la luz sea diferente para las dos direcciones de circulación. "La luz que circula en el sentido de las agujas del reloj no se ve afectada por el átomo. La luz en la dirección opuesta, por otra parte, se acopla fuertemente al átomo y por lo tanto no puede entrar en el resonador, ", dice Arno Rauschenbeutel. Esta asimetría del acoplamiento luz-átomo con respecto a la dirección de propagación de la luz en el resonador permite controlar el funcionamiento del circulador:el sentido de circulación deseado se puede ajustar a través del estado interno del átomo.

"Debido a que usamos un solo átomo, podemos controlar sutilmente el proceso, ", dice Rauschenbeutel." El átomo se puede preparar en un estado en el que ambas reglas de tráfico se apliquen al mismo tiempo:todas las partículas de luz viajan juntas a través del circulador en sentido horario y antihorario ". Afortunadamente, esto es imposible según las reglas de la física clásica, ya que provocaría un caos en el tráfico rodado. Sin embargo, en física cuántica, Se permiten tales superposiciones de diferentes estados, lo que abre posibilidades completamente nuevas y emocionantes para el procesamiento óptico de información cuántica.