Atomarer Quantenknoten

Lichtquanten treten nicht miteinander in Wechselwirkung. Eben diese Eigenschaft macht Photonen zu geeigneten Trägern von Quanten­information für Quanten­kommunikation und Quanten­computer. Für die Verarbeitung von Quanten­information sind allerdings kontrollierte Wechsel­wirkungen zwischen den Photonen an Quanten­knoten erforderlich, welche die Rechen­schritte ausführen.

Physiker der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quanten­optik haben jetzt diese kontrollierte Wechsel­wirkung zwischen verschieden­farbigen Licht­strahlen auf dem Level einzelner Photonen nachgewiesen. Mit Hilfe eines in einem optischen Resonator gespeicherten Atoms beobachteten sie zwei Bereiche, in denen sich die Licht­felder entweder gegen­seitig blockieren oder das System gemeinsam passieren. Eine unmittelbare Anwendung dieses Effekts ist, wie die Wissen­schaftler zeigten, ein optischer Schalter, bei dem ein Strahl den anderen ausschalten kann.

Photonen verfügen weder über eine Masse noch über eine elektrische Ladung und können demzufolge nicht mit­einander „sprechen“. Mit elektrisch geladenen Materie­teilchen können sie jedoch aufgrund ihres elektrischen Feldes in Wechsel­wirkung treten. Wenn diese nicht­linear und ausreichend stark ist, kann sie ihrerseits genutzt werden, um eine Wechsel­wirkung zwischen Lichtquanten zu vermitteln. Der wahrscheinlich stärkste Effekt lässt sich erzielen, wenn das Atom nur zwei Energie­niveaus besitzt, den Grund­zustand und einen angeregten. Denn dann führt die Aufnahme eines ersten Photons dazu, dass das Atom zu einem Emitter wird – d.h. die Transmission eines Photons hängt davon ab, ob zuvor ein anderes da gewesen ist.

Die große Herausforderung bestand in den vergangenen dreißig Jahren darin, die entsprechende Wechsel­wirkung, die bei einem einzelnen Atom im freien Raum ver­nachlässigbar ist, ausreichend groß zu machen. Befindet sich das Atom dagegen zwischen zwei hoch­reflektierenden Spiegeln, dann kommt das eingestrahlte Photon immer wieder am Atom vorbei und ist gleichzeitig eingeschlossen in einem kleinen Volumen in dessen nächster Umgebung. Diese Technik führt zu einer starken Wechsel­wirkung auf dem Einzel-Photonen-Level. Solange sich diese aber auf gleich­artige Photonen aus einem Laser­strahl beschränkte, war der Effekt vor allem an der Photonen-Statistik zu erkennen, Beispiele dafür sind die Einzel-Photon- und die Zwei-Photonen-Blockade.

Strahlt man in diesen aus zwei Spiegeln geformten Resonator jedoch ein zweites Licht­feld mit einer anderen Wellen­länge ein, dann lässt sich, bei einer geeigneten Energie­level-Struktur, eine Wechsel­wirkung zwischen zwei verschieden­farbigen Photonen realisieren. Christoph Hamsen und Kollegen gelang es, die technischen Herausforderungen zu meistern und ein sogenanntes N-System zu verwirklichen, an dem sie neu­artige Effekte der gegen­seitigen Blockade der Photonen bzw. ihres nur gemeinsam möglichen Durchgangs beobachteten. Im Falle der Blockade arbeitete das System wie ein optischer Schalter, bei dem jedes Licht­feld das andere ein- oder ausschalten kann.

Diese Effekte beruhen auf der neuartigen Energielevel-Struktur des Systems, das sich aus der starken Kopplung von zwei Licht­feldern und dem Atom ergibt. In diesem Level-Schema korrespondiert jeder einzeln anregbare Energie­zustand mit einer spezifischen Kombination der Photonen­zahlen in den beiden Strahlen.

Während also Lichtschwerter weiterhin Science-Fiction bleiben, weist das neue System kohärente Wechsel­wirkung zwischen Photonen auf. Sein doppelt nicht-lineares Niveau­schema ebnet den Weg zu nicht-linearer Quanten-Sensorik, bei der die Zahl der Photonen in dem einen Strahl ein Maß für die Zahl der Photonen in dem anderen Strahl ist.

MPQ / DE