Photonenpistole © MaxPlanckForschung / Felix Brandl

„Die Quantenkryptografie funktioniert nur, wenn man jedes Bit des Schlüssels genau auf einem Photon speichert“, erklärt Tatjana Wilk. Das heißt vor allem: Jeder Lichtpuls, der ein Bit transportiert, darf nicht aus mehr als einem Photon bestehen. Die ersten käuflichen Quantenkryptografen erzeugen die einzelnen Photonen statistisch. Sie schwächen Laserpulse so stark ab, dass sie im Mittel nur den Bruchteil eines Photons enthalten – also mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr als eins. Das heißt aber auch: Die meisten Pulse sind so stark abgeschwächt, dass sie verschwinden und gar kein Licht mehr enthalten. Auf diese Weise dauert es lange, bis der Schlüssel zu einer Botschaft den Empfänger erreicht.

Mit der Photonenpistole, die Tatjana Wilk und ihre Kollegen unter Gerhard Rempe konstruiert haben, ginge das vermutlich schneller – und eleganter sowieso: „Wir wissen, dass jeder Schuss unserer Photonenpistole genau ein Photon enthält. Und wir können es gezielt abfeuern“, sagt Wilk. Dafür muss die Garchinger Physikerin aber mehr Aufwand treiben als einen Filter vor einen Laser zu halten:

Zunächst lädt sie ein sehr dünnes Gaswölkchen aus Rubidiumatomen in eine magnetooptische Falle, in der ein Magnetfeld und sanfte Schubser mit den Photonen eines Laserstrahls die Teilchen auf wenige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Schaltet sie die Falle ab, tropfen die Atome durch einen optischen Resonator – zwei einander gegenüberliegende Spiegel. Die beiden Spiegel, die nur den Durchmesser einer kleinen Tablette haben und noch enger beisammen stehen, sitzen im Zentrum einer Vakuumkammer auf einem Tisch mit der Grundfläche einer Duschwanne.

Glasfasern führen von einer gut doppelt so großen Anlage zu der Kammer, die an eine Taucherglocke erinnert. Durch eine der Glasfasern eilt auch der Laserpuls heran, der ein Atom anregt, während es gerade durch den Resonator fällt – damit ist die Pistole geladen. Und sie gibt auch gleich einen Schuss ab. „Die Farbe des abgegebenen Lichts wird durch den Abstand der beiden Spiegel bestimmt“, sagt Tatjana Wilk. In den Resonator passen nämlich nur ganze Wellen des Lichts. Zu große oder kleine Lichtwellen entstehen erst gar nicht. Das begrenzt die Farben, in denen das Atom aufblitzen kann.