09.05.2022

Frequenzumwandlung einzelner Photonen

Photonische Kristallfaser mit Hohlkern ermöglichen Frequenzkonversion.

Die Teams um David Novoa, Nicolas Joly und Philip Russell vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts erzielten einen Durchbruch bei der Frequenz­umwandlung einzelner Photonen auf der Grundlage einer mit Wasser­stoffgas gefüllten Photo­nischen Kristall­faser (PCF) mit Hohlkern. Zunächst wird in dem Gas der Kristallfaser ein räumlich-zeitliches Hologramm molekularer Schwingungen durch die stimulierte Raman-Streuung erzeugt. Dieses Hologramm wird dann für die hocheffiziente, korrelations­erhaltende Frequenz­umwandlung von Einzelphotonen genutzt.

Abb.: Frequenz­aufwärts­konversion einzelner Photonen durch Streuung an...
Abb.: Frequenz­aufwärts­konversion einzelner Photonen durch Streuung an einem beweglichen Brechungs­indexgitter, das durch Molekular­schwingungen in Wasser­stoffgas erzeugt wird. (Bild: N. Joly, MPL)

Das System arbeitet bei einer durch Druck einstellbaren Wellenlänge – diese Möglichkeit macht es für die Quanten­kommunikation sehr interessant: „Bislang sind keine effizienten Quellen für ununter­scheidbare Einzel­photonen bei Wellenlängen verfügbar, die mit den bestehenden Glasfaser­netzen kompatibel sind“, sagt Nicolas Joly.

Der Ansatz kombiniert Quanten­optik, gasbasierte nichtlineare Optik, Hohlkern-PCF und die Physik der Molekül­schwingungen zu einem effi­zienten Werkzeug, das in jedem Spektralband vom Ultraviolett bis zum mittleren Infrarot arbeiten kann – ein extrem breiter Arbeits­bereich, der für bestehende Techno­logien bislang unzugänglich ist. Die Ergebnisse können zur Entwicklung von faser­basierten Werkzeugen in Technologien wie der Quanten­kommunikation und quanten­gestützter Bildgebung genutzt werden.

MPL / JOL

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