Ein Quantensensor für Photonen

Eigentlich forscht Tracy Northup an der Uni Innsbruck an der Entwicklung des Quanteninternets. Sie baut Schnittstellen, mit denen Quanteninformation von Materie auf Licht und umgekehrt übertragen werden kann. Über diese Schnittstellen sollen in Zukunft Quantencomputer auf der ganzen Welt über Glasfaserleitungen miteinander kommunizieren können. Bei ihren Forschungen hat Northup mit ihrem Team jetzt eine Methode vorgeführt, mit der sichtbares Licht zerstörungsfrei gemessen werden kann. Die Entwicklung schließt an Arbeiten von Serge Haroche an, der in den 1990er Jahren mit Hilfe von neutralen Atomen die Quanteneigenschaften von Mikrowellenfeldern charakterisiert hat und dafür 2012 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Northup und ihre Mitarbeiter platzieren ein elektrisch geladenes Kalziumatom zwischen zwei Hohlspiegeln, durch die sichtbares Laserlicht geleitet wird. „Das Ion nimmt dabei nur schwachen Einfluss auf das Licht“, erläutert Northup. „Über Quantenmessungen am Ion können wir statistische Aussagen über die Zahl der Lichtteilchen in der Kammer treffen.“ Unterstützung bei der Interpretation der Messergebnisse erhielten die Forscher durch die Arbeitsgruppe um Helmut Ritsch.

„Man kann hier von einem Quantensensor für Lichtteilchen sprechen“, resümiert Northup. Eine mögliche Anwendung des neuen Verfahrens könnte die Erzeugung von speziellen Lichtfeldern sein, indem die Messergebnisse über eine Feedback-Schleife wieder in das System eingespeist und so die gewünschten Zustände hergestellt werden. Bislang haben sich die Forscher auf klassische Zustände beschränkt. In Zukunft wären mit dieser Methode auch Messungen von Quantenzuständen des Lichts denkbar.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Lee et al.: Ion-based nondestructive sensor for cavity photon numbers, Phys. Rev. Lett. 122, 153603 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.153603
• Quantum Optics & Spectroskopy, Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Österreich
• Cavity Quantum Electrodynamics (H. Ritsch), Institut für theoretische Physik Universität Innsbruck, Österreich