Onderzoekers routeren lichtdeeltjes met slechts een atoom

Amerikaanse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om individuele fotonen te routeren door gebruik te maken van individuele atomen. De quantumtoestand van de atomen bepaalt de route van de fotonen.

Het routeren van fotonen is normaal gesproken iets triviaals: glasvezel doet het bijvoorbeeld al aardig. Pas wanneer fotonen een bepaalde kant op moeten worden gestuurd die afhankelijk is van bepaalde voorwaarden, wordt het lastiger. In dat geval is het routeren onderdeel van de quantumberekening en moet dit stuurproces dynamisch verlopen. Een groep onderzoekers van het Californische Institute of Technology hebben een manier ontwikkeld om fotonen conditioneel te routeren. De onderzoekers zetten daartoe een stuk uitgerekt glasvezel in, een micro-toroïd en supergekoelde cesiumatomen.

Fotonen in glasvezel kunnen naar de toroïd, een sterke resonator, tunnelen. Door de resonerende eigenschappen van de toroïd blijven de fotonen relatief lang opgesloten, gedurende welke tijd ze met cesium-atomen worden bestookt. Dat bestoken met cesium-atomen heeft tot gevolg dat de fotonen niet langer in de toroïd passen en zich met de atomen associëren. Afhankelijk van de richting waaruit de fotonen naar de cesium-atomen aangetrokken worden, zullen de elektronen van het atoom in een bepaalde richting trillen. Wanneer het foton weer wordt afgestoten richting toroïd, zal het lichtdeeltje in tegenovergestelde richting in de toroïd bewegen. Vervolgens tunnelt het foton weer terug de glasvezel in, en zal wederom in tegenovergestelde richting van zijn oorspronkelijke richting bewegen. Zo beïnvloedt een cesium-atoom de richting van het foton en wordt de beweging ervan omgekeerd mits een atoom aanwezig is.

Op deze manier kunnen cesium-atomen gebruikt worden om individuele fotonen van richting te doen veranderen, ook al worden meerdere fotonen door de glasvezel gestuurd. Een tweede voordeel van het systeem is de geringe precisie die benodigd is: de afstanden tussen glasvezel en toroïd en tussen cesium-atomen en toroïd hoeven niet zeer precies te zijn. Met deze methode kunnen onderzoekers de bewegingsrichting van afzonderlijke fotonen beïnvloed laten worden door de quantumtoestand van cesium-atomen: de atomen kunnen immers in een superpositie worden gebracht, waarbij waarschijnlijkheid dicteert of een foton doorgelaten of tegengehouden wordt.

Reacties (63)

[Anoniem: 18650]

Als je het originele artikel leest is het iets duidelijker. Voor zover ik het begrijp gebeurt er dit:

• foton schiet door de fiber(grijze streep op de foto)
• foton wordt door de "tol" naar binnen gezogen en draait daar rondjes
• daarna kan je kiezen, of je doet niets en het foton komt uiteindelijk weer terug in de fiber en vervolgt zijn pad. Of je beschiet de tol met cesium atomen.
• Daardoor moet het foton nu rondjes draaien om de tol incl de cesium atomen en die zijn groter.Hierdoor bevat de baan van het foton niet meer precies een aantal halve harmonische trillingen.
• Daardoor raakt de foton uit zijn baan en wordt opgeslokt door een atoom
• Het atoom spuugt het foton na een tijdje weer uit, maar in tegengestelde richting. Het foton draait nu rondjes rond de tol in tegenovergestelde richting
• Het foton wordt uiteindelijk weer terug in de fiber geslingerd, maar gaat nu de weg terug.
• voila je hebt een schakelaar waarmee je door het afschieten van cesium atomen kunt kiezen of een foton zijn pad vervolgt of wordt teruggekaatst in een fiber

[Singelaar]

Ah dat is duidelijker. Ja het klinkt logisch. Maar betekent dus dat je voorlopig alleen nog atomen vooruit of terug kan sturen. Maar wel gaaf.

Hmm.. zelfs na 5 jaar natuurkunde had ik jouw uitleg nodig

[Anoniem: 18650]

idealiter zou je voor routeren als bouwsteen een soort T-splitter willen hebben met 1 ingang en 2 uitgangen. maar denk dat met een beetje truuken je een element met 1in/uit gang en 1 uitgang wel ongeveer op dezelfde manier kunt gebruiken

[Ventieldopje]

Linksaf in een rechte kabel gaat nogal moeilijk

[Little Penguin]

Wat is eigenlijk een toroïd?

Verder is het directe praktische niet van dit soort onderzoeken op korte termijn niet direct aanwezig, hoewel het op middellange termijn overigens weer wel voor een revolutie kan zorgen...

N.B. Volgens mij moet je de laatste alinea zo uitleggen:
Het is mogelijk om de fotonen van richting te veranderen, zonder dat men daarbij de afstanden tussen de diverse materialen heel precies hoeft af te stellen - en dat is ook weer een pluspunt -mijns inziens. Anders zou je dit soort zaken alleen maar vanuit een "laboratorium-situatie" kunnen realiseren en dat maakt het weer duurder.

* Little Penguin kan het echter ook verkeerd uitleggen hoor - correct me if I'm wrong

[Singelaar]

Een toroid is gewoon een ring, donut zeg maar.

De laatste alinea klinkt positief, maar er wordt mooi wel met "super gekoelde" Cesium atomen geschoten. Dus zo toepasbaar is het geheel nog niet volgens mij.

De foton in de "donut" exciteerd dus een atoom. Bij het relxatie proces wordt de foton weer uit gezonden. Kennelijk kan men door te kiezen in welke quantumtoestand ze de Cesium atomen prepareren bepalen welke kant de fotonen uitgezonden worden? Het klinkt in mijn oren nog niet echt als controle.. Ben benieuwd wat hier een toepassing voor zal zijn.

[Anoniem: 125474]

Een toroïd is een driedimensionaal omwentelingslichaam, maar meestal Torus genoemd denk ik. Daarover vindt je meer informatie.

[Boxman]

In het Nederlands heet het een Toroïde. Zoals Singelaar al zegt, gewoon een ring/donut.

[Bilel]

fotonen zijn gewichtloze deeltjes die ontstaan door elelktromagnetische straling, bv licht.

Fotonen beweging in de opstelling die ze staan, dat wordt eigenlijk met dit artikel bedoeld. Ze kunnen de fotonen nu op meerdere manieren laten bewegen.

Cesium-atomen is gewoon een Cesium atoom. Cesium is een natuurlijk element, Cs dacht ik.

Een toroid is dan weer de ontvanger van de deeltjes.

[Arcane Apex]

Fotonen ontstaan niet door elektromagnetische straling. Fotonen zijn de elektromagnetische straling zelf. Wanneer fotonen in een bepaalde frequentie trillen noemt men het elektromagnetische straling.

Fotonen zijn de dragerpartikelen van de elektromagnetische kracht. Ze zijn verantwoordelijk voor de elektromagnetische kracht.

[Magic]

Ik dacht dat "fotonen" enkel in theorie bestonden om sommige natuurkundige verschijnselen te verklaren. Echter is mij altijd verteld dat licht uit golven bestaat. Kan iemand mij uitleggen hoe dit zit, aangezien hier fotonen als iets fysieks worden neergezet?

[trippelb]

Volgens mij komt dit doordat licht zowel als een deeltje als een golf gezien kan worden. (Deeltjes kunnen zich als golven gedragen en vice versa) Je kan bepaalde verschijnselen van "licht" dus verklaren door ze de ene keer als deeltjes te beschouwen, en een andere keer als golf. Klinkt inderdaad een beetje raar, maar het komt er dus eigenlijk op neer dat men niet helemaal precies is wat het is, (golf/deeltje/allebei/iets compleet anders wat zich toevallig zo gedraagt).

Natuurkunde gaat niet om wetten en wetmatigheden, maar om verklaringen van wat men waarneemt (althans zo heb ik het geleerd).

Nu is dus het onhandige van "licht" dat men sommige gedragingen van licht kan verklaren door het het als deeltje te beschouwen, en andere weer enkel door het als golf te beschouwen.

Hier komt dus dan ook de theorie vandaan dat deeltjes zich als golven kunnen gedragen en vice versa. (Zoals in mijn tweede zin, dus ik hoop dat ik hiermee je vraag een beetje heb beantwoord)

[Malantur]

Licht wordt in de kwantummechanica met een discontinu karakter beschreven. Dit heeft als gevolg dat het in bepaalde gevallen zich zal gedragen als een golf (met een golflengte, interferentie etc) en in andere gevallen als deeltjes: fotonen (denk aan zonnepanelen waarbij fotonen op elektronen botsen en zo de elektronen vrijmaken van een atoom).
Men noemt dit ook wel eens de dualiteit van golven en deeltjes.

[Anoniem: 18650]

beiden zijn modellen om licht te beschrijven. Soms gedraagt licht zich als een deeltje, soms als een golf. Een poging om beide modellen samen te voegen heet de snaartheorie, waarin het dus gezien wordt als een klein snaartje, een soort deeltje met een trilling. Verder weet ik ook niet precies hoe dat werkt aangezien ik geen expert ben op het gebied van de snaartheorie

[BackwardsDown]

Dat volgt uit de dualiteit. Elk deeltje doet zich soms voor als een golf, en in andere omstandigheden als een deelte. Beter dan wikipedia kan ik het denk ik niet uitleggen:

http://nl.wikipedia.org/w...it_van_golven_en_deeltjes

[Singelaar]

Even voor de duidelijkheid:
Het golf-deeltje dualisme geldt volgens de QM dus niet alleen voor licht maar voor alle materie. Het is in essentie een eigenschap van materie en komt tot uiting als je materia op zeer kleine schaal onderzoekt.
Je zou dus vooral kunnen concluderen dat we simpel weg niets begrijpen van de wereld om ons heen. Gelukkig kunnen we er wel een beetje mee rekenen sinds Shrödinger.

[joho]

Is er iemand die begrijpt wat de laatste alinea betekend.
Het enige dat ik kan uitbrengen is, wow.

[SumatroX]

Ik ben derdejaars Natuurkunde student, en zelfs voor mij is dit stuk heel lastig te begrijpen. Ik kan me voorstellen dat het voor de leek al helemaal Russisch klinkt.

Maar waar het feitelijk op neer komt is dit: Je hebt in een glasvezelkabel een toroid (wat dat ook mag zijn), waar de fotonen eventjes in blijven hangen en dan door bewegen. Als je één cesiumatoom op dat toroid schiet (wat technisch niet al te moeilijk is), zal er één foton uit de toroid worden gestuurd, in de richting waar hij vandaan kwam. Je kunt op die manier dus individuele fotonen terug de andere kant op sturen.

Dat is iets wat kennelijk nog niet mogelijk was, en wat voor toepassingen dat dan heeft weet ik ook niet.

[Stoney3K]

Wat dacht je van een optische flip-flop?

Optisch schakelen van lichtsignalen was al langer mogelijk, maar niet op deze nano-schaal, wat wel meer hoop biedt om nog meer gates op een enkele chip te prutsen. Met het huidige silicium-proces zitten we met 35-45nm aan de fysieke grens.

[darkjeric]

Ahem, tot nu toe beweert Intel toch nog altijd dat 22nm en misschien zelfs 16nm nog tot de mogelijkheden behoren. De echte problemen met lekstroom zouden beginnen rond 10nm. Anders zaten we nu al aan de fysieke grens!

(TSMC is trouwens al bezig met het produceren van 32nm chips, wat jouw fysieke grens onmiddellijk teniet doet )

[Dijkertje]

Damn, inderdaad, niet iedereen is natuurkundige!
- Wat zijn fotonen?
- Wat is een micro-toroïd?
- Wat zijn cesium-atomen?
Etc. etc. etc.
Natuurlijk kunnen wij dit op google opzoeken, maar...
Ik vind het frapant dat de schrijver hiermij vanuit gaat dat wij die termen wel kennen, zo van ja, kennen we wel hoor.
Oké, als dit hardware o.i.d. gerelateerd zou zijn, en er zouden evt. moeilijke termen in staan, zou een menige tweaker dat wel moeten weten.
Maar ik ben geen natuurkundige, dus... ja. Ik moet het opzoeken.

[PolarBear]

Aan de andere kant mag je ook wel wat algemene kennis verwachten. Dat licht uit fotonen bestaat vind ik geen gegeven wat alleen een natuurkunidige zou moeten weten. Ook een cesium (element) atoom mag toch niet helemaal onbegrijpelijk zijn. En dat met alleen natuurkunde op Havo niveau en een beetje algemene kennis.

Toroïd ken ik niet, dus ga ik opzoeken. Het is dus eigenlijk een donut vorm voor de niet wiskundige onder ons Maar dat had je ook wel kunnen raden aan de alt tekst van het plaatje.

Ps. ik vraag me af of Toroïd een Nederlands woord is, de enige hit in Google zoekend in Nederland is dit bericht (wat wel weer snel geindexieerd is door Google dus.

[Reactie gewijzigd door PolarBear op 22 juli 2024 21:29]

[Malantur]

De juiste term is Torus. Dit wordt zo in het artikel van Toroid aangegeven in het Engels, en in het Nederlands is het net zelfde geschreven.

De toroïd van het artikel is dus eigenlijk dit:

Een torus is een driedimensionaal omwentelingslichaam, dat ontstaat door een cirkel te wentelen om een lijn die zich in het vlak van de cirkel bevindt maar niet door de cirkel loopt. Het resultaat heeft de vorm van een binnenband van een auto of fiets.

[.oisyn]

Een torus beschrijft alleen het oppervlak. Een toroide is zowel de oppervlak als de inhoud. Oftewel hetzelfde als het verschil tussen een cirkel en een disk.

[Malantur]

Dat is zo in het Engels (volgens de Engelse wikipedia), maar de Nederlandse wikipedia beschrijft torus iig als een 3d omwentelingslichaam.

[Boxman]

Wikipedia is ook maar een subjectieve bron, ik zou dat zeker niet in alle gevallen als de absolute waarheid aannemen.. Ik studeer als tweedejaars Natuurkunde op de TU, en in alle colleges die we tot nu toe gekregen hebben noemen we het een Toroïde. Geen Toroïd of Torus dus.

[Reactie gewijzigd door Boxman op 22 juli 2024 21:29]

[Borromini]

Dat is helaas géén referentie. Het is niet omdat je wetenschap studeert dat je de waarheid in pacht hebt wanneer het gaat over taal .

Van Dale (de dikke dan) vermeldt torus evengoed als omwentelingslichaam, van toroide is géén sprake.

Dus volgens mij zit je gewoon een anglicisme te verdedigen (vaktaal != correct Nederlands).

Wat de klagerige reactie betreft over de terminologie in het artikel:
- fotonen zijn lichtdeeltjes (zoveel weet ik er nog van)
- een cesiumatoom blijft een atoom, net zoals een waterstofatoom. Moeilijk is dat toch niet?
- een toroid (torus?) wordt uitgelegd in de volgende alinea, nadat 'microtoroid' opduikt. Later dan je zou verwachten maar net niet laat genoeg om je begrip van het artikel te hypothekeren.

[Reactie gewijzigd door Borromini op 22 juli 2024 21:29]

[Herko_ter_Horst]

Een 3D omwentelingslichaam dat ontstaat door een cirkel rond te draaien. Wat .oisyn zegt is dus niet in tegenspraak met het (Nederlandse) Wikipedia artikel: het gaat nog steeds om het oppervlak, niet om de inhoud.

Ik zou overigens verwachten dat de Nederlandse benaming "toroïde" zou zijn. Dat levert ook iets meer resultaten op op Google (niet dat dat iets bewijst, maar toch...). Een toroïd(e) is dus een gevulde torus.

[Reactie gewijzigd door Herko_ter_Horst op 22 juli 2024 21:29]

[Ventieldopje]

Aan de andere kant mag je ook wel wat algemene kennis verwachten. Dat licht uit fotonen bestaat vind ik geen gegeven wat alleen een natuurkunidige zou moeten weten. Ook een cesium (element) atoom mag toch niet helemaal onbegrijpelijk zijn. En dat met alleen natuurkunde op Havo niveau en een beetje algemene kennis.

Toroïd ken ik niet, dus ga ik opzoeken. Het is dus eigenlijk een donut vorm voor de niet wiskundige onder ons Maar dat had je ook wel kunnen raden aan de alt tekst van het plaatje.

Ps. ik vraag me af of Toroïd een Nederlands woord is, de enige hit in Google zoekend in Nederland is dit bericht (wat wel weer snel geindexieerd is door Google dus.

Niet iedere tweaker doet havo en/of heeft natuurkunde gedaan

[Reactie gewijzigd door Ventieldopje op 22 juli 2024 21:29]

[poktor]

sorry hoor, maar ik was een gewoon Mavo-klantje en dit was (30 jaar geleden) standaardstof op school.. Geeft toch aardig aan hoe het met het onderwijs nu gesteld is...

[Anoniem: 188713]

Nou, toen mijn aardrijkskunde leraar nog op de universiteit zat, behandelde hij dezelfde stof die ik nu in 4VWO doe.. Lijkt me beetje nutteloze reactie dus?

Anyhow, ik zat ook met grote ogen te kijken naar dit stukje tekst, enkele termen springen eruit die ik inderdaad ken maar met mijn 1 jaartje natuurkunde en scheikunde kennis kan ik hier niet teveel uit opmaken hoor.

[poktor]

Nou, da's dan niet best als jij met VWO4 deze tekst 5 keer moet lezen om er maar iets van te snappen en ik deze materie met Mavo4 direct begrijp. Geeft wel aan dat er iets grondig mis is met het onderwijs in NL...

Cesium is trouwens een radioactieve isotoop, werd veel gebruikt inChernobyl.
Fotonen zou je moeten kennen. Werd het begrip Laser nooit behandeld op school? Bij ons wel en da's ruim 30 jaar geleden.
En de donutvorm zou toch behandeld moeten z\ijn bij wiskunde, net als de cyliinder en de pyramidevorm...

[Reactie gewijzigd door poktor op 22 juli 2024 21:29]

[MaxxBass]

/quote
En dat met alleen natuurkunde op Havo niveau en een beetje algemene kennis..
/quote
Je moeder!! Ik heb MTS gedaan, ik ken deze wartaal niet.

[Icekiller2k6]

ze gaan er niet vanuit dat we ze kennen.. ze gaan ervanuit dat we tweakers zijn en het zelf opzoeken!

[Bitage]

Fotonen zijn lichtdeeltjes en cesium is gewoon een atoomsoort. Micro-toroid zou ik zelf niet weten, maar die eerste twee zijn denk ik toch wel basic dingen. Ik vind het ook wel een lastig verhaal hoor, daar niet van, maar ik denk dat het op T.net staat omdat het een potentieel aantrekkelijke ontwikkeling is i.c.m. het doorvoeren van data. Het staat ook niet voor niets tussen Wetenschap

[Innsewerants]

fotonen -> 2e klas middelbare school
toroid -> basis primitieve vorm zou eigenlijk ook op de middelbare moeten langskomen naast bol, kubus en de andere primitieven.
atoom -> middelbare.
cesium -> middelbare....


Tenminste dat was bij mij zo, is de kwaliteit van het onderwijs achteruit gegaan?

(Serieus, alle dingen hier genoemd zijn in de eerste 2 jaar langsgekomen op de middelbare (voor mij iig) met de brugklas meegeteld. Ben het dus ook wel eens met PolarBear over dat enig algemeen weten wel te verwachten (hopen) valt.)

[RoBBS]

Kenmerkend aan een 'intelligente' levensvorm is mijns inziens het zelf kunnen interpreteren en uitvinden van informatie. In die zin is tweakers een uitstekende stimulant t.o.v. de diverse sites die alles uitkouwen voor je.

[Ventieldopje]

Pardon? Tweakers is voor iedereen, geen idee hoeveel leden Tweakers heeft maar dat zijn er aardig wat en niet iedereen kan alles weten en dat hoeft ook niet. Beetje kort door de bocht van je, als je nou echt het niveau hier omhoog wil halen plaats dan niet van dat soort reacties want die halen het juist OMLAAG

[robvanwijk]

Die laatste alinea betekent gewoon dat het allemaal nog wat kleiner kan, zodat de wet van Moore voorlopig weer gered is.

Het eerste wat ik me afvroeg was: "hoe bedenk je het?"... Dat je na kunt rekenen dat het werkt, of dat je het kunt bouwen is indrukwekkend, maar hoe kom je in de eerste plaats op zo'n idee....?

[piderman]

Het routeren van fotonen is normaal gesproken iets triviaals: glasvezel doet het bijvoorbeeld al aardig.

Wat dacht je van een spiegel?

[Anoniem: 247794]

Volgens mij is een microtoroïd gewoon een hele kleine toroïd
een normale toroid is een object in een donutvorm.
Als ik het goed had tenminste

[Bengeo]

Dit is zeer interessant het komt ongeveer overeen met het basis principe van een transistor maar dan op basis van licht (fotonen) ipv. electronen.
Wat CrTcL in goed nederlands de tol noemt is het Cesium atoom volgens mij.
Door aan dat atoom wat te tweaken kan de foton terug- of door gestuurd worden.
Als je in staat bent zeer veel optische transistoren te combineren kan je een optische computer maken (met licht snelheid). Er zijn natuurlijk nog wat andere onderdeeltjes noodzakelijk.

[Munters]

Dit is natuurlijk pas een eerste stap. Uiteindelijk moeten de fotonen twee verschillende richtingen uit gestuurd kunnen worden, ongelijk aan de richting waar de fotonen vandaan kwamen.
Dus rechtdoor en linksaf, of 30 graden naar links en 30 naar rechts.
Terugsturen is niet zo zinvol: stuur het foton dan gewoon niet!

[trippelb]

Ligt eraan, als je het foton stuurt en vervolgens meet of het rechtdoor gaat of dat het terugkomt heb je alsnog de functionaliteit van een "standaard" transistor. Het heeft namelijk 1 van de 2 mogelijkheden gekozen. Terug of vooruit zijn dus wel degelijk 2 verschillende richtingen.

[Tsunande]

Dus... Basically sneller internet?

[Menesis]

wellicht ook de communicatie tussen geheugen en CPU?

[Ventieldopje]

Firewall op nano schaal?

[AndriesLouw]

Als jij alle informatie van een TCP-pakketje (bijv.) in 1 foton krijgt, dan zou dat kunnen. Maar ik denk niet dat dat het streven is .
Het is daarnaast onzinnig om zo'n TCP-pakketje terug te sturen, je dropt ze liever, anders heb je er dubbel last van.

[KiLLerS]

de manier waar ze het er in het artikel over hebben, zou het geadvanced glasrouting betekenen. En als je dan toch zat bandbreedte hebt, is het wel fijn om te weten of een pakketje aankomt of dat hij gedenied wordt en dus terug gestuurd wordt. (zoals bij email)