02.11.2018

Ein Photon auf Knopfdruck

Neuartige Rydberg-Einzelphotonenquelle funktioniert auch bei Raumtemperaturen.

Forscher des Zentrums für integrierte Quanten­wissenschaft und -technologie Baden-Württemberg IQST an der Universität Stuttgart haben eine neu­artige und viel­versprechende Variante einer Einzel­photonen­quelle entwickelt, die mit atomaren Gasen bei Raum­temperatur funktioniert. Einzel­photonen­quellen kennt man schon seit etwa zwanzig Jahren, doch die verschiedenen Ansätze dafür (etwa Quanten­punkte oder Stick­stoff-Fehl­stellen­zentren im Diamant) sind weltweit ein hoch aktuelles Forschungs­thema. Das Besondere an dieser neuen Licht­quelle besteht darin, dass sie auch ohne aufwändige Kühlung mit flüssigen Gasen oder Lasern funktioniert.

Abb.: Die Rubidium-Atome werden in einer Glas­zelle bei Raum­temperatur in ihre Rydberg-Zustände angeregt. Das Volumen zwischen den Platten ist so dünn, dass die farbigen Interferenz­ringe zu sehen sind. (Bild: U. Stuttgart / M. Kovalenko)

Die Stuttgarter Einzelphotonen­quelle funktioniert erst­mals auch mit atomaren Gasen bei Raum­temperatur. Das Geheimnis steckt in einer scheck­karten­großen Glas­zelle, die mit einem Dampf aus Rubidium-Atomen gefüllt ist. Der Quanten­charakter des erzeugten Lichts beruht auf den starken Wechsel­wirkungen zwischen den einzelnen Atomen in der Dampf­zelle. Damit die Atome stark interagieren, werden sie mit Laser­licht in hoch angeregte Rydberg-Zustände gebracht.

Aufgrund ihrer enormen Größe ist die Wechsel­wirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen sehr stark. Eine einzelne Rydberg-Anregung lässt kein weiteres Rydberg-Atom in ihrer Nähe zu und blockiert damit praktisch die gesamte Atom­wolke. „Da die Atome in einer mikroskopisch kleinen Glas­zelle gefangen sind, kann immer nur eine Rydberg-Anregung in dieser Zelle vorkommen – ganz egal, wie viele Atome in der Zelle ein­gesperrt sind“, erklärt Fabian Ripka, Doktorand am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart sein Experiment. Klingt nun diese einzelne Anregung wieder ab, wird ein einzelnes Licht­quant ausgesendet. Die Rydberg-Anregung und die Aus­sendung des Photons lassen sich von den Stuttgarter Forschern gezielt steuern.

Einzelne Photonen spielen in quanten­technologischen Anwendungen schon heute eine wichtige Rolle. Da sie nicht unbemerkt kopiert werden können, eignen sie sich beispiels­weise für die abhör­sichere Quanten­kommunikation und finden in der Quanten­kryptographie Anwendung. Institutsleiter Tilman Pfau sieht zusätzlich großes Potential für Einzel­photonen in Quanten­computern. „In photonischen Netz­werken werden Einzel­photonen­quellen ein wesentlicher Bestand­teil sein, um Quanten­algorithmen durchführen zu können“, so Pfau.

U. Stuttgart / DE

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