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
