Proprio come nel normale traffico stradale, gli incroci sono indispensabili nell'elaborazione del segnale ottico. Per evitare collisioni, è necessaria una chiara regola del traffico. Un nuovo metodo è stato ora sviluppato alla TU Wien per fornire una tale regola per i segnali luminosi. Per questo scopo, le due fibre di vetro sono state accoppiate nel loro punto di intersezione ad un risonatore ottico, in cui la luce circola e si comporta come in una rotonda. La direzione di circolazione è definita da un singolo atomo accoppiato al risonatore. L'atomo assicura anche che la luce lasci sempre la rotatoria alla prossima uscita. Questa regola è ancora valida anche se la luce è costituita solo da singoli fotoni. Una tale rotatoria sarà quindi installata in chip ottici integrati, un passo importante per l'elaborazione del segnale ottico.

Elaborazione del segnale utilizzando la luce invece dell'elettronica

Con il termine "circolatori ottici" si intendono gli elementi nel punto di intersezione di due fibre ottiche reciprocamente perpendicolari che dirigono segnali luminosi da una fibra all'altra, in modo che la direzione della luce cambi sempre, Per esempio, di 90° in senso orario.

"Questi componenti sono stati a lungo utilizzati per fasci di luce a propagazione libera, " afferma Arno Rauschenbeutel del Vienna Center for Quantum Science and Technology presso l'Istituto di fisica atomica e subatomica di TU Wien. "Tali circolatori ottici si basano principalmente sul cosiddetto effetto Faraday:un forte campo magnetico viene applicato a un materiale trasparente , che si trova tra due divisori di fascio di polarizzazione che sono ruotati l'uno rispetto all'altro. La direzione del campo magnetico rompe la simmetria e determina in quale direzione viene reindirizzata la luce".

Però, per motivi tecnici, componenti che sfruttano l'effetto Faraday non possono essere realizzati su piccola scala della nanotecnologia. Questo è un peccato in quanto tali componenti sono importanti per le future applicazioni tecnologiche. "Oggi, stiamo cercando di costruire circuiti ottici integrati con funzioni simili a come sono conosciuti dall'elettronica, " dice Rauschenbeutel. Altri metodi per rompere la simmetria della funzione luminosa solo a intensità luminose molto elevate o soffrono di elevate perdite ottiche. Tuttavia, nella nanotecnologia si vorrebbe poter elaborare segnali luminosi molto piccoli, idealmente impulsi luminosi costituiti esclusivamente da singoli fotoni.

Due fibre di vetro e una bottiglia per la luce

Il team di Arno Rauschenbeutel sceglie un modo completamente diverso:accoppiano un singolo atomo di rubidio al campo luminoso di un cosiddetto "risuonatore di bottiglia" - un microscopico oggetto bulboso di vetro sulla cui superficie circola la luce. Se un tale risonatore è posto in prossimità di due fibre di vetro ultrasottili, i due sistemi si accoppiano tra loro. Senza un atomo, la luce cambia da una fibra di vetro all'altra tramite il risuonatore della bottiglia. In questo modo, però, nessun senso di circolazione è definito per il circolatore:luce, che viene deviato di 90° in senso orario, può anche viaggiare a ritroso lungo lo stesso percorso, cioè in senso antiorario.

Per rompere questa simmetria avanti/indietro, Il team di Arno Rauschenbeutel accoppia inoltre un atomo al risonatore, che impedisce l'accoppiamento della luce nel risonatore, e quindi il sovraaccoppiamento nell'altra fibra di vetro per uno dei due sensi di circolazione. Per questo trucco, alla TU Wien viene utilizzata una proprietà speciale della luce:la direzione di oscillazione dell'onda luminosa, noto anche come sua polarizzazione.

L'interazione tra l'onda luminosa e il risuonatore della bottiglia determina uno stato di oscillazione insolito. "La polarizzazione ruota come il rotore di un elicottero, " spiega Arno Rauschenbeutel. Il senso di rotazione dipende dal fatto che la luce nel risonatore viaggi in senso orario o antiorario:in un caso la polarizzazione ruota in senso antiorario, mentre nell'altro caso ruota in senso orario. La direzione di circolazione e la polarizzazione della luce sono quindi bloccate insieme.

Se l'atomo di rubidio è correttamente preparato e accoppiato al risonatore, si può far differire la sua interazione con la luce per i due sensi di circolazione. "La luce che circola in senso orario non è influenzata dall'atomo. La luce nella direzione opposta, d'altra parte, si accoppia fortemente all'atomo e quindi non può entrare nel risonatore, " dice Arno Rauschenbeutel. Questa asimmetria dell'accoppiamento luce-atomo rispetto alla direzione di propagazione della luce nel risonatore permette di controllare il funzionamento del circolatore:il senso di circolazione desiderato può essere regolato tramite lo stato interno dell'atomo.

"Poiché usiamo un solo atomo, possiamo controllare sottilmente il processo, " dice Rauschenbeutel. "L'atomo può essere preparato in uno stato in cui entrambe le regole del traffico si applicano contemporaneamente:tutte le particelle di luce quindi viaggiano insieme attraverso il circolatore sia in senso orario che antiorario". questo è impossibile secondo le regole della fisica classica, in quanto provocherebbe il caos nel traffico stradale. Nella fisica quantistica, invece, tali sovrapposizioni di stati diversi sono consentite, il che apre possibilità completamente nuove ed entusiasmanti per l'elaborazione ottica dell'informazione quantistica.