Laser © NASA

„Einzelne Photonen zu produzieren ist etwas fundamental anderes, als im Mittel ein Photon zu erzeugen“, sagt Gerhard Rempe, in dessen Abteilung Tatjana Wilk experimentiert: Ein Photon im Mittel entsteht aus einem abgeschwächten klassischen Puls, in dem die einzelnen Lichtteilchen so zufällig entstehen, wie Regentropfen fallen. „Wir geben aber einen klassischen Lichtimpuls auf das Atom im Resonator ab – und herauskommt ein quantenmechanischer.“

Ein Charakteristikum dieser Ein-Photonenpulse ist, dass sie nicht zufällig, sondern in einem präzisen Takt aufblitzen, den die Garchinger Physiker vorgeben. „Wir gucken jetzt, was mit solchen Lichtimpulsen möglich ist. Momentan machen wir Photonen, die etwa einen Kilometer lang sind. Und irgendwann werden wir unsere Erkenntnisse an Ingenieure weitergeben“, sagt Rempe.

Inzwischen entlocken Tatjana Wilk und einige ihrer Kollegen den Atomen auf ihrem Weg durch den Resonator zum Beispiel polarisierte Photonen. Die Lichtwelle dreht sich dann mal nach rechts und mal nach links, immer schön abwechselnd. „Die Schwingungsrichtung eignet sich vorzüglich, um damit Bits zu codieren“, sagt Wilk. Das ist nicht nur unerlässlich, um digitale Botschaften zu übertragen; auch ein Quantencomputer könnte in dieser physikalischen Eigenschaft seine kleinste Recheneinheit speichern und verarbeiten.

Rechtspolarisiertes Licht könnte dann etwa für die Eins und linkspolarisiertes für die Null stehen. Derart am Licht zu drehen schafft auch die Möglichkeit, Photonen aus zwei Photonenpistolen zu verschränken. Das wiederum ist ein Schritt, ohne den in der Quanteninformationstechnologie nichts läuft. „Daran arbeiten wir gerade“, sagt Tatjana Wilk.
Um zwei Lichtteilchen aus Photonenpistolen zu verschränken, basteln Markus Hijlkema und Bernhard Weber ein paar Labore weiter an einem Pendant zu Wilks Photonenquelle. Ihre Forschung würde ihnen sogar eine noch viel bessere Kontrolle über die Schusswaffe für Lichtteilchen ermöglichen. Dazu müssen sie einzelne Atome in einem Resonator fangen. Anders als in Tatjana Wilks Apparatur würde ein Atom dann nicht aus dem freien Fall feuern, sondern während es gefangen zwischen den Spiegeln schwebt.