Hocheffizienter Mikrowellen-Detektor für Quantencomputer und Astrophysik
Josephson-Photomultiplikator bildet die Arbeitsweise normaler Photonendetektoren in einem kompakten elektronischen Bauelement nach.
Die Quantenkommunikation nutzt einzelne Lichtteilchen, um Informationen zu übertragen. Dabei werden die Lichtteilchen von Photodetektoren in elektrische Signale umgewandelt. Die physikalische Messgrenze der Strahlungsmessung ist dann erreicht, wenn einzelne Photonen detektiert werden können. Bisher setzte man hierzu meist Photonen im Bereich des sichtbaren Lichts ein.
Abb.: Der neue Mikrowellen-Photodetektor (Bild: R. McDermott)
Seit einigen Jahren nutzen Wissenschaftler aber auch Photonen mit Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen von 1 bis 300 Gigahertz, wie sie etwa beim Handy vorkommen. Die Erzeugung und die Messung der Photonen findet dabei auf einem winzigen Computerchip statt, bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts. „Lange galt es aber als prinzipiell unmöglich, einzelne Quanten von Mikrowellen zu zählen, da deren Energie rund 100.000-mal schwächer ist als die Energie von Lichtteilchen einer Glühbirne“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Theoretische Physik an der Saar-Uni. Gemeinsam mit Kollegen aus Kanada und Wisconsin ist ihm bereits im vergangenen Jahr jedoch genau das gelungen: Die Wissenschaftler entwickelten ein elektronisches Bauelement, das einzelne Mikrowellenphotonen detektieren kann, einen Josephson-Photomultiplikator.
Nun hat Wilhelm-Mauch zusammen mit Luke Govia und Emily Pritchett den Detektor so weiterentwickelt, dass er Photonen mit nahezu hundertprozentiger Effizienz nachweisen kann. Dabei kommt ein besonderes Merkmal der Quantenphysik ins Spiel: Die Photonen oder Atome können mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Sobald eine Messung erfolgt, bleibt nur noch ein einziger Zustand übrig: der ermittelte Messwert. „Praktisch bedeutet das, dass sich Zustände von Quantensystemen bei der Beobachtung verändern“, erläutert Wilhelm-Mauch. Für einen optimalen Detektor möchte man diese Veränderung so klein halten, wie es die Gesetze der Physik fordern. So soll nur die Information aus dem Quantenzustand verloren gehen, die man auch abgelesen hat. Die Wissenschaftler zeigen in ihrer Arbeit, wie das möglich ist: Sie unterdrücken Quanteneffekte bereits im Detektor. Dieser unterscheidet also nicht viele verschiedene Zustände eines Photons, sondern nur zwischen weiß und schwarz, also: Ich habe Photonen oder nicht. „Gelungen ist uns das, indem wir einen elektrischen Widerstand an der richtigen Stelle eingebaut haben“, erklärt Wilhelm-Mauch.
Die Saarbrücker Physiker erwarten, dass diese Detektoren einerseits eingesetzt werden, um Elemente von Prozessoren in Quantencomputern zu vernetzen. Andererseits erlaubt diese Messung von Mikrowellen am Quantenlimit auch Anwendungen in der Astrophysik bei der Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Suche nach dunkler Energie.
UdS / OD
