Maailman pienin radioasema

Nykyfysiikan yksi tiedemiehiä kiehtova koe liittyy kvanttimekaniikan ilmiöön valon ja aineen välisestä vuorovaikutuksesta.

Eurooppalaisissa ETH Zürich ja Max Planck Institute for Science of Light in Erlangen tutkimuslaitoksissa on yhdellä fotonilla saatu aikaan heräte yksittäisessä molekyylissä.

Yksittäisiä molekyylejä voidaan havaita ja yksittäisiä fotoneja luoda mutta yhden molekyylin virittäminen fotonin avulla on pysynyt vaikeana koska todennäköisyys sille, että molekyyli näkee ja absorboi fotonin on hyvin pieni.

Yhden fotonin lähteitä ei markkinoilla ole joten tutkijat hyödynsivät kehittämissään laitteissaan fotonin atomiin tuottaman virittyneen tilan purkautumisessa emissoituvaa yhtä fotonia. Luonnollisesti tässä monimutkaisessa järjestelmässä piti myös varmistaa, että lähtevällä fotonilla oli sama taajuus kuin vastaanottavalla molekyylillä.

Lisäksi fotoni tuli saada vuorovaikutukseen kohdemolekyyliin kanssa tehokkaalla tavalla. Molekyyli on kooltaan noin nanometri mutta valonsäteen fokus ei voi olla pienempi kuin muutama sata nanometriä. Tämä tarkoittaa, että suurin osa saapuvasta valosta ohittaa molekyylin.

Kuitenkin, jos tuleva fotoni on resonanssissa molekyylin kvanttimekaanisen siirtymän kanssa, jälkimmäinen toimii kuin levy, joka on kooltaan verrattavissa fokusoituun valoon. Näin se toimii kuin antenni, joka kaappaa tarpeeksi tehokkaasti tulevat valonsäteet.

Tutkimukset tarjoavat ensimmäisen esimerkin langattomasta viestinnästä kahden kvanttioptisen antennin välillä. Kokeessa kaksi yksittäistä molekyyliä jäljittelevät radioyhteyttä optisilla taajuuksilla ja vähemmän klassisessa optisessa kanavassa eli yksittäisten fotonien virtauksella.

Tämä avaa ovia myös kokeille, joissa yksi fotoni voi toimia kvantti-informaation kuljettajana jota prosessoidaan yhdellä emitterillä.

Tutkijoiden kehittämässä koerakenteessa vastaanotinmolekyylin sironta eli valohiukkasten absorbtio tai emissio, viivästyttää valoaaltoja. Tätä viivettä voidaan käyttää kuin informaatiota ja se voi olla erittäin hyödyllinen kvantti-informaation sovelluksissa, toteaa tutkimusta johtanut Vahid Sandoghdar aiheesta julkaistussa tiedotteessa.

Oheisessa taiteilijan näkemyksessä yksi molekyyli lähettää yksittäisten fotonien virran kauempana olevaan molekyyliin eli kvanttianalogisesti radioyhteydelle kahden aseman välillä. – Kuva: Robert Lettow