Dem Photon auf die Phase gefühlt
Neue Methode erlaubt die Identifizierung einzelner Photonen mit beliebiger Form.
Ein Lichtpuls kann fast beliebige Formen in Raum und Zeit annehmen. Mit der Form ist auch die Informationsdichte des elektromagnetischen Feldes verknüpft. Doch nicht nur Lichtpulse aus vielen Photonen, sondern auch einzelne Photonen können in einer Vielzahl komplexer Gestalten auftreten. Im Unterschied zum kollektiven Lichtpuls gibt die Amplitude der einzelnen Photonen nicht die Stärke des elektrischen Feldes an, sondern – gemäß der Bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Quantenmechanik – die Wahrscheinlichkeit, ein Photon an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit zu finden.
Abb.: Ein einzelnes Photon mit mehrfachen räumlichen und zeitlichen Peaks. (Bild: Bellini et al., Phys. Rev. Lett.)
Ein Team italienischer Wissenschaftler hat nun eine Technik vorgestellt, die mittels der kohärenten Kontrolle von Licht erlaubt, die Form einzelner Photonen auszulesen. Sie benötigen hierzu eine Serie identischer, aber beliebig geformter Photonen, die sie mit einem Laser überlagern. Wenn die Übereinstimmung zwischen Photon und Laser gut genug ist, können sie das Photon nachweisen – ansonsten nicht.
Mittels eines „genetischen Algorithmus“, der von den Prinzipien der biologischen Evolution inspiriert ist, wird der Prüf-Laser solange kalibriert, bis er zu den Photonen passt. Hierzu teilen die Forscher den Laser über ein Gitter in verschiedene spektrale Komponenten auf, die einzeln in ihrer Intensität und Phase modifiziert werden. Dann fügen sie die schrittweise immer besser abgestimmten Komponenten mithilfe eines zweiten Gitters wieder zusammen und lassen den entstandenen Laserpuls mit dem Photon wechselwirken. Dabei erreichen sie nach abgeschlossener Kalibrierung Identifikizierungswahrscheinlichkeiten für die einzelnen Photonen um die 50 Prozent. Bei regulären Formen ist die Wahrscheinlichkeit etwas höher, bei stark irregulären Formen etwas niedriger.
Der Ansatz erlaubt es, einem einzelnen Photonen so viele Informationen aufzuprägen, dass jedes Photon nicht nur alle Buchstaben des Alphabets kodieren könnte, sondern sogar eine Kombination mehrerer Buchstaben. Durch die Ausnutzung der vielen Moden des elektromagnetischen Feldes ließe sich nicht nur die Übertragungskapazität im Quantencomputing deutlich steigern. Ultrakurze Pulse erlauben höhere Datenraten und präziseres Timing. Vor allem aber für die Kryptographie ist der Ansatz von großem Interesse, denn die Identifizierung einzelner Photonen ist Voraussetzung für jede Art abhörsicherer Kommunikation.
Dirk Eidemüller
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