Licht een minuut lang gestopt in een kristal

Geleerden van de universiteit van Darmstadt hebben licht een minuut lang stilgezet. Gedurende een hele minuut stond licht, met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde het snelste ding in het universum, volkomen stil in een kristal. Dat creëert effectief een "licht-herinnering", waarbij het beeld dat gedragen wordt door het licht, opgeslagen wordt in het kristal. Die doorbraak kan leiden tot het opzetten van langeafstandskwantumnetwerken.
LAWRENCE LAWRY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

In 1999 waren geleerden er al in geslaagd licht te vertragen tot slechts 17 meter per seconde, en twee jaar later kon hetzelfde team licht volledig stil zetten maar slechts voor enkele fracties van een seconde. Eerder dit jaar stopten geleerden van het Georgia Institute of Technology licht gedurende 16 seconden en nu dus gedurende een minuut.

Om het licht stop te zetten, gebruikten de Duitse onderzoekers een techniek die EIT heet, electromagnetically induced transparency, elektromagnetisch geïnduceerde doorzichtigheid. Ze begonnen met een cryogeen gekoeld (tot een zeer lage temperatuur, lager dan - 150 graden Celsius), ondoorschijnend kristal van yttrium-silicaat, bedekt met praseodymium. Een controlelaser wordt daarop afgevuurd en dat zet een complexe reactie op kwantumniveau in gang, die het kristal transparant maakt. Dan laat men een tweede lichtbron, de bron met de data/afbeelding, op het nu doorschijnende kristal schijnen. Dan wordt de controlelaser afgezet, wat het kristal opnieuw ondoorschijnend maakt.

Daardoor zit het licht in het kristal gevangen, en het ondoorschijnend zijn van het kristal maakt dat het licht erin niet meer kan rondspringen, het licht is dus gestopt.

Het licht kan nergens meer naar toe en de energie van de fotonen, de lichtdeeltjes, wordt opgevangen door atomen in het kristal en de "data", de gegevens van de fotonen worden omgezet in spin excitatie van atomen, een kwantumfenomeen. Om het licht opnieuw uit het kristal te krijgen, zet men de controlelaser opnieuw aan, en de spin excitaties worden uitgestoten als fotonen. De atomaire spin kan ongeveer een minuut de coherentie bewaren, de integriteit van de gegevens, daarna verwatert de lichtpuls of afbeelding. Toch laat deze opstelling in essentie het opslaan en terughalen toe van data van een licht-herinnering.

Drie lijnen

De onderzoekers konden ook met succes een eenvoudig beeld, drie horizontale lijnen, in het kristal opslaan gedurende 60 seconden. Het moet mogelijk zijn om gegevens langer op te slaan, door andere kristallen te gebruiken, zoals yttrium-silicaat bekleed met europium en door speciaal ontworpen magnetische velden te gebruiken.

Een op licht gebaseerde herinnering die de kwantumcoherentie, zoals polarisatie en verstrengeling, bewaart, is van levensbelang voor het creëren van een langeafstandskwantumnetwerk. Net zoals met conventionele, elektronische routers, moeten kwantumrouters in staat zijn om binnenkomende pakketten op te slaan, en ze dan opnieuw door te sturen, wat deze ontdekking toelaat.

Maar er zijn wel nog een aantal problemen die opgelost moeten worden: zo moet er een methode gevonden worden om licht op te slaan met zo weinig ruis dat een enkel foton betrouwbaar opgeslagen en opgehaald kan worden, en het moet kunnen gebeuren op kamertemperatuur. Cryogene data-opslag, op zeer lage temperatuur dus, kan in een laboratorium wel werken maar in de huiskamer zou het erg onhandig zijn.