Lichtpulse speichern und sortieren

Mit einem neuen Verfahren kann man optische Pulssequenzen kohärent „einfrieren“ und anschließend gezielt einzelne Pulse wieder freisetzen.

Die Verarbeitung von Quanteninformationen mit Licht bietet eine Reihe von Vorteilen. Sie ist schnell und störungsunempfindlich, und sie kann in massiv paralleler Weise durchgeführt werden. Allerdings setzt sie voraus, dass man beliebige optische Quantenzustände speichern und wieder abrufen kann. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass einzelne Ionen photonische Quantenzustände aufnehmen und auf Wunsch wieder abgeben. Die Quantenzustände können aber auch kohärent in kollektiven Anregungen z. B. von atomaren Gasen gespeichert werden. Jetzt haben australische Forscher ein solches Verfahren vorgestellt, mit dem sie Folgen von zunächst noch klassischen Lichtpulsen kohärent einfrieren und anschließend auf einzelne Pulse gezielt zugreifen können. Auch eine Verarbeitung von einzelnen Photonen sollte damit möglich sein.

Dieses Speicherverfahren, das Gradient Echo Memory (GEM), beruht darauf, dass ein Kontrollstrahl ein gasförmiges Ensemble von Rubidiumatomen in die Lage versetzt, durch eine zeitgleich eingestrahlte Folge von Lichtpulsen angeregt zu werden. Wird der Kontrollstrahl abgeschaltet, so bleibt die Anregung erhalten, da die Atome sie nicht mehr abstrahlen können. Zudem sorgt ein inhomogenes Magnetfeld dafür, dass wegen des Zeeman-Effekts die Anregungsfrequenzen der Atome längs des gepulsten Lichtstrahls ortabhängig sind. Auf diese Weise werden die unterschiedlichen Frequenzen der Pulsfolge an unterschiedlichen Orten im Rubidiumgas gespeichert. Indem man das Magnetfeld verändert, kann man die Überlagerung der verschiedenen Frequenzen der Pulsfolge beeinflussen, sodass nach erneutem Anschalten des Kontrollstrahls die Atome nur bestimmte Pulse der Pulsfolge abstrahlen.

Bei ihrem Experiment benutzten Mahdi Hosseini und seine Kollegen von der Australian National University in Canberra als Speichermedium eine Zelle mit warmem Rubidiumgas Drei atomare Zustände kamen dabei zum Einsatz. Vom Grundzustand |1> brachte ein Kontrollstrahl die Atome in einen Zwischenzustand, der 2 GHz unter dem angeregten Zustand |3> lag. Der gepulste Signalstrahl bracht die Atome vom angeregten Zustand |2> ebenfalls in den Zwischenzustand. Waren die Atome gleichzeitig dem Kontroll- und dem Signalstrahl ausgesetzt, so konnten sie vom Grundzustand |1> in den angeregten Zustand |2> übergehen. Wurde der Kontrollstrahl abgeschaltet, konnten die Atome nicht mehr in den Grundzustand zurückkehren, sodass die Anregung in ihnen gespeichert blieb.

Die Forscher setzten die zylinderförmige Gaszelle einem inhomogenen Magnetfeld aus, das linear entlang der Zylinderachse zunahm. Durch den Zeeman-Effekt ändert sich die Energie des Zustands |2> ebenfalls linear entlang der Achse, während die Energie des Grundzustands konstant blieb. Die Anregungsfrequenz der Atome beim Übergang von |1> nach |2> wuchs damit linear entlang des Signalstrahls an, der sich parallel zur Zylinderachse ausbreitete. Die unterschiedlichen Frequenzen, die der Signalstrahl enthielt, waren deshalb an unterschiedlichen Stellen im Rubidiumgas mit dem atomaren Übergang in Resonanz. War der Kontrollstrahl eingeschaltet, so wurden die Atome in einer ortsabhängigen Weise angeregt. Dabei wurde das zeitliche Fourier-Spektrum des Signalstrahls räumlich auf die atomaren Anregungen abgebildet.

Nach Abschalten des Kontrollstrahls ließen die Forscher die Phasen der in den Atomen gespeicherten Anregungen sich frei entwickeln. Dann kehrten sie das räumliche Profil des Magnetfeldes um, was dazu führte, dass die Entwicklung der Phasen sich ebenfalls umkehrte. Sobald die Phasen wieder zu Null geworden waren, schwangen die atomaren Anregungen im Gleichtakt und es trat ein Echo auf. Wurde dann der Kontrollstrahl eingeschaltet, so konnten die Atome wieder kohärent strahlen. Es zeigte sich, dass dieses Echo zuerst für den letzten Puls der Pulsfolge auftrat, dann für den vorletzten usw., sodass auf diese Weise die Reihenfolge der Pulse umgekehrt wurde. Indem der Kontrollstrahl nur dann eingeschaltet wurde, wenn das Echo eines bestimmten Pulses in der Sequenz auftrat, ließ sich erreichen, dass die Atome nur das Licht dieses Pulses abstrahlten während die übrige Pulssequenz gespeichert blieb. Mit ihrem Verfahren ist es den Forschern zudem gelungen, die Reihenfolge der wieder freigesetzten Pulse in beliebiger Weise zu verändern und darüber hinaus auch die Pulse in die Länge zu ziehen oder zu stauchen.

Die Effizienz des GEM-Verfahrens liegt gegenwärtig bei durchschnittlich 5 %, sie erreicht jedoch für Speicherzeiten von einer Pulslänge immerhin 31 %. Da die Pulse kohärent verarbeitet werden, sollte das Verfahren auch funktionieren, wenn die Pulsintensität so gering ist, dass man es mit Pulsen aus einzelnen Photonen zu tun hat. Hier eröffnet sich die Möglichkeit, Folgen aus mehreren Einzelphotonenpulsen zu zerlegen und die Photonen getrennt zu verarbeiten. Hosseini und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass das GEM-Verfahren in der Quanteninformationsverarbeitung der Zukunft eine wichtige Rolle spielen kann.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• G. Hétet et al.: Multimodal properties and dynamics of gradient echo quantum memory. Phys. Rev. Lett. 101, 203601 (2008)
  link.aps.org/abstract/PRL/v101/e203601
  arxiv.org/abs/0801.3860
• J. J. Longdell et al.: Analytic treatment of controlled reversible inhomogeneous broadening quantum memories for light using two-level atoms. Phys. Rev. A 78, 032337 (2008)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032337
  arxiv.org/abs/0807.0067
• G. Hétet et al.: Photon echoes generated by reversing magnetic field gradients in a rubidium vapor. Opt. Lett. 33, 2323 (2008)
  www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-33-20-2323
  arxiv.org/abs/0806.4258

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