Drehkreuz für einzelne Photonen

Ein internationales Team von Physikern hat eine Art Drehkreuz für Photonen realisiert. Dabei reguliert ein einziges Atom den Transport einzelner Lichtteilchen.

Pasadena (USA) – Die Kontrolle über einzelne Lichtlichtteilchen ist eine wesentliche Voraussetzung für viele Quantenexperimente und für Prozesse der Quanteninformatik. Ein internationales Team von Physikern realisierte dafür nun eine Art Drehkreuz für Photonen. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, kann ein einziges Atom für den regulierten Transport einzelner Lichtteilchen eingesetzt werden.

„Ein einziges Atom innerhalb eines Resonators kontrolliert dynamisch wie ein photonisches Drehkreuz die Aussendung einzelner Photonen“, schreiben Barak Dayan vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen von der University of Auckland in Neuseeland und von der japanischen Technologie-Agentur Presto in Saitama. Ebenso wie frühere Experimente, die eine regulierte Aussendung einzelner Photonen zum Ziel hatten, nutzt das Forscherteam die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht, zwischen Atomen und Lichtteilchen aus.

Kern des „photonischen Drehkreuzes“ ist ein kreisförmiger, optischer Resonator aus Siliziumdioxid, der mit lithografischen Methoden auf einem Silizium-Chip konstruiert wurde. Der lichtleitende Toroid hat dabei außen einen Durchmesser von 25, innen von sechs Mikrometern. In geringem Abstand verläuft eine klassische Glasfaser, von der einzelne Photonen in den Toroid eingekoppelt werden können. Ziel des Experiments war es nun, die Anzahl der auslaufenden Photonen exakt zu regulieren.

Abb.: Der experimentelle Aufbau besteht aus einem Silizium-Chip mit einer Reihe von mikrotoroidalen Resonatoren aus Siliziumdioxid. Einer dieser optischen Resonatoren ist mit einer ummantelten optischen Faser gekoppelt ist. (Quelle: Kimble/Vahala)

Barak Dayan und seine Kollegen konnten dies mit einem Strom kalter Cäsiumatome realisieren. Diese bewegten sich in unmittelbarer Nähe zu dem optischen Resonator. Einzelne Atome koppelten dabei mit einzelnen Photonen. Durch die resonante Absorption eines ersten Photons wird der energetisch niedrigste Eigenzustand erreicht. Die Absorption eines nachfolgenden, zweiten Photons wird dadurch blockiert. Der Grund liegt darin, dass die höher liegenden Eigenzustände nicht mehr in der Resonanz der starken Kopplung von Atom und Photon liegen. Mit diesem System aus Absorption und Blockade eines Photons erreichten die Forscher, dass – mit einer Effizienz von derzeit etwa 25 Prozent – kontrolliert einzelne Photonen aus dem Resonator zurück in die Glasfaser eingekoppelt werden konnten.

In weiteren Experimenten hoffen die Forscher, die Effizienz dieses Photonen-Sortierers auf über 90 Prozent steigern zu können. Damit lockt für Quanteninformatiker ein relativ robustes System, um die Quantenzustände von Photonen besser untersuchen und für die Verarbeitung von Daten nutzen zu können.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  B. Dayan et al., A Photon Turnstile Dynamically Regulated by One Atom, Science 319, 1062 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1152261
• California Institute of Technology in Pasadena:
  http://www.caltech.edu
• T.J. Watson Laboratory of Applied Physics:
  http://www.aph.caltech.edu
• University of Auckland:
  http://www.auckland.ac.nz
• Japan Science and Technology Agency in Saitama:
  http://www.jst.go.jp/EN/

Weitere Literatur:

• P. Zoller et al., Eur. Phys. J. D 36, 203 (2005).
• J. Majer et al., Nature 449, 443 (2007).
• K. M. Birnbaum et al., Nature 436, 87 (2005).
• J. Shields, Nat. Photon. 1, 215 (2007).