Potenzial für die Speicherung gewaltiger Datenmengen auf kleinstem Raum Bild gespeichert auf nur einem einzigen Photon - scinexx | Das Wissensmagazin
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Potenzial für die Speicherung gewaltiger Datenmengen auf kleinstem Raum

Bild gespeichert auf nur einem einzigen Photon

Das erste Bild, das auf einem Photon gespeichert werden konnte. © University of Rochester

Erstmals ist es Forschern gelungen, die Daten eines ganzen Bildes auf nur einem Photon zu speichern, das Lichtteilchen für die Speicherung abzubremsen und anschließend die Bilddaten intakt wieder zu gewinnen. Dieses jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters” veröffentlichte Experiment stellt einen wichtigen Durchbruch in der Forschung an optischen Speichermedien dar.

Noch besteht das von den Wissenschaftlern der Universität von Rochester genutzte Testbild nur aus wenigen hundert Pixeln, doch die eingesetzte neue Technologie bietet das Potenzial für die Speicherung gewaltiger Datenmengen auf kleinstem Raum. Um das Bild, bestehend aus den Buchstaben “UR”, zu erzeugen, nutzen die Forscher um John Howell eine im Prinzip simple Methode, wie man sie auch vom Schattentheater her kennt: Sie richteten einen Lichtstrahl auf eine Schablone mit ausgesparten Buchstaben. Doch die Wissenschaftler reduzierten dann das Licht so weit, bis nur noch ein einziges Photon die Schablone passierte.

Welle und Teilchen zugleich

Und jetzt kam die Quantenmechanik ins Spiel: Denn die Besonderheit der Lichtteilchen, so wie vieler Elementarteilchen, ist es, in diesen Größenordnungen sowohl Eigenschaften eines Teilchens als auch einer Welle zu besitzen. Während ein Teilchen nur punktuelle Informationen der Schablone aufnehmen könnte, kann das Photon in seiner Welleneigenschaft alle Teile der Schablone auf einmal berühren und gewissermaßen den „Schatten“ der Schablone mit sich tragen.

Der aus dem einzigen Photon bestehende Lichtpuls gelangte dann in eine rund zehn Zentimeter große Kammer mit auf 100 Grad erhitztem Cäsiumgas, wo er verlangsamt und komprimiert wurde. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler mehrere Pulse gleichzeitig in dieser Kammer speichern. „Man kann eine enorme Menge an Information in einem Lichtpuls speichern“, erklärt Ryan Camacho, Hauptautor der Studie. „Aber normalerweise, wenn man versucht, den Puls zu puffern, verliert man viel von dieser Information wieder. Wir zeigen, dass es möglich ist, selbst bei sehr niedrigen Lichtintensitäten eine große Informationsmenge mit extrem starkem Signal und wenig Rauschen zu gewinnen.“

„Pufferung“ des Lichts entscheidend

Die so genannte optische Pufferung ist einer der Knackpunkte in der Entwicklung optischer Speichermedien. Denn bei der Umwandlung der optischen Informationen zurück in elektrische Signale entstehen Zeitverzögerungen, die durch ein kurzzeitiges Puffern des Lichts abgefangen werden müssen. Die Methode der Forscher um Howell folgt hier einem vollkommen neuen Ansatz, der alle entscheidenden Eigenschaften des Pulses konserviert. Es gibt nahezu keine Verzerrung, keine Diffraktion und auch die Phase und Amplitude des Originals bleiben erhalten.

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“Es klingt unmöglich, aber statt nur Nullen und Einsen zu speichern, haben wir ein ganzes Bild gespeichert“, erklärt Howell. „Es ist analog zum Unterschied zwischen einer Fotoaufnahme aus nur einem Pixel und einer Kameraaufnahme – dies ist wie eine Sechs-Megapixel-Kamera.“

Bisher ist es dem Forscher gelungen, Lichtpulse um 100 Nanosekunden zu verzögern und sie auf ein Prozent ihrer ursprünglichen Länge zu komprimieren. Jetzt arbeitet er daran, Dutzende von Pulsen für mehrere Millisekunden zu verzögern. „Jetzt möchte ich sehen, ob wir etwas nahezu permanent verzögern können, selbst auf der Ebene eines einzelnen Photons“, erklärt Howell. „Wenn wir das schaffen, haben wir die Möglichkeit, unglaubliche Mengen von Information in nur wenigen Photonen zu speichern.

(University of Rochester, 22.01.2007 – NPO)

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