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Ein Drehkreuz für Photonen

Gefangene Atome erzeugen vereinzelte Lichtteilchen für Quantenanwendungen

Laser und ATome
Eine Atomreihe dient als "Drehkreuz" für Laserphotonen und erzeugt so einen Strahl vereinzelter Lichtteilchen mit regelmäßigem Abstand. © HU Berlin

Für Quantenanwendungen werden einzelne, regelmäßig eintreffende Photonen benötigt. Doch ihre Produktion ist bisher aufwändig. Jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, um aus einem normalen Laserstrahl einzelne Photonen abzuscheiden. Als „Drehkreuze“ für die Lichtteilchen dienen dabei ultrakalte Cäsium-Atome, die in einer Reihe in einer dünnen Glasfaser gefangen sind. Die Interaktion des Lichts mit diesen Atomen erzeugt einen Strom vereinzelter Photonen.

Laserstrahlen bestehen normalerweise aus Unmengen an Photonen, die in zufälliger Abfolge und meist zu vielen gleichzeitig am Empfänger ankommen. Doch für Technologien wie Quantencomputer, Quanten-Netzwerke oder die Quantenkryptografie benötigt man Photonen, die einzeln und in berechenbaren Abständen eintreffen. Zwar gibt es dafür schon geeignete Quanten-Emitter, aber nicht alle erzeugen Lichtteilchen, die sich für eine effiziente Glasfaserübertragung eignen.

Eine Reihe ultrakalter Atome

Eine Lösung dafür könnten nun Adarsh Prasad vom Wiener Zentrum für Quantenforschung und Technologie und seine Kollegen gefunden haben. Ihnen ist es gelungen, Laserlicht in Glasfasern direkt in einen Strom einzelner Photonen umzuwandeln. Entscheidende Akteure dieses Systems sind Cäsium-Atome, die als Vereinzeler für die Lichtteilchen des Laserstrahls dienen. Diese Atome sind bis auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt.

Konkret besteht das „Drehkreuz“ aus einer regelmäßigen Reihe dieser Atome, die mit einer Laserpinzette gefangen und fixiert sind. 0,2 Mikrometer von ihnen entfernt verläuft eine optische Glasfaser – ein extrem dünner Lichtleiter, durch den der Laserstrahl hindurchgeht. Lichtleiter und Atomreihe sind mittels eines schwachen Feldes so miteinander verkoppelt, dass Photonen und Atome in Wechselwirkung treten – es entsteht eine Atom-Licht-Schnittstelle.

Vereinzelung durch atomare Wechselwirkung

Wenn nun Laserlicht durch die optische Faser geleitet wird, wirkt die Atomreihe wie ein Filter. Treffen zwei Photonen kurz hintereinander auf eines der Atome, kommt es zur selektiven Interaktion. Diese führt dazu, dass zu eng aufeinanderfolgende Photonen phasenverschoben werden und sich gegenseitig auslöschen. Stimmen Abstand und Eigenschaften hingegen, kann das Photon passieren.

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Im Experiment stellten die Forscher zudem fest, dass sich diese Vereinzelungsfunktion über die Zahl der aufgereihten Atome steuern lässt. Wenn rund 150 Atome an der Nanofaser gefangen waren, bestand das ausgehende Licht praktisch nur noch aus einzelnen Photonen. Im Kollektiv wirkten die Atome für die Photonen dann wie ein Drehkreuz. Erhöhten die Wissenschaftler jedoch die Atomanzahl verkehrte sich der Effekt ins Gegenteil: Dann ließen die Atome die Photonen bevorzugt in Paaren passieren.

Vielversprechende Photonenquelle für Quantentechnologien

„Diese Effekte machen das System zu einer vielversprechenden neuen Quelle für nichtklassisches Licht, wie Einzelphotonenquellen“, erklären Prasad und seine Kollegen. Ihr „Drehkreuz“ könnte leuchtstarke, faserintegrierte Einzelphotonenquellen ermöglichen. Gleichzeitig lässt sich das von den Forschern demonstrierte Prinzip auf weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums anwenden.

Damit eröffnet sich die Möglichkeit, Einzelphotonen in Spektralbereichen zu erzeugen, für die bis jetzt keine Quellen zur Verfügung stehen. Einen Patentantrag für diesen Ansatz haben die Forscher bereits eingereicht. (Nature Photonics, 2020; doi: 10.1038/s41566-020-0692-z)

Quelle: Humboldt-Universität zu Berlin

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