Message in a bottle
Mit einem einzigen Atom kann man das Licht zwischen Glasfaserkabeln hin und her schalten.
Glasfaserkabel werden zum Quantenlabor: Möglichst klein möchte man optische Schalter bauen, um Licht manipulieren zu können. An der TU Wien gelang das mit einem einzigen Atom. Ganz alltägliche Glasfasern, wie sie heute für die Internet-Datenübertragung verwendet werden, können dadurch nun über winzige Quantensysteme miteinander verschaltet werden.
Abb.: Der Quanten-Lichtschalter kann beide möglichen Zustände gleichzeitig einnehmen. (Bild: TU Wien)
Laserlicht wird von Arno Rauschenbeutel und seinem Team an der TU Wien in sogenannte „Flaschen-Resonatoren“ abgefüllt – bauchig geformte Glasobjekte, an deren Oberfläche das Licht im Kreis läuft. Bringt man einen solchen Resonator in die Nähe einer lichtleitenden Glasfaser, dann koppeln die beiden Systeme aneinander und Licht kann von der Glasfaser in den Flaschen-Resonator wechseln.
„Wenn der Umfang des Resonators genau zur Wellenlänge des Lichts passt, kann man sogar erreichen, dass das gesamte Licht vom Glasfaserkabel in den Resonator übertritt – und von dort kann man es dann wiederum in eine zweite Glasfaser weiterleiten“, sagt Arno Rauschenbeutel.
Dieses Gesamtsystem aus Eingangsglasfaser, Flaschenresonator und Ausgangsglasfaser ist allerdings höchst empfindlich: „Wenn man nur ein einziges Rubidiumatom mit dem Resonator in Kontakt bringt, kann sich das Verhalten dramatisch ändern“, erklärt Rauschenbeutel. Wenn das Licht genau auf das Atom abgestimmt ist, lässt sich sogar erreichen, dass es gar nicht erst in den Flaschenresonator eindringt und in der ursprünglichen Glasfaser weiterwandert anstatt in die Ausgangsglasfaser überzuwechseln. Das Atom wirkt also als Schalter, der festlegt, in welcher Glasfaser das Licht geleitet wird.
Abb.: Eine bauchig geformte Glasfaser, an der Licht im Kreis läuft. (Bild: TU Wien)
In einem nächsten Schritt wollen die Physiker ausnutzen, dass das Rubidiumatom sich in unterschiedlichen Quantenzuständen befinden kann, wobei nur einer dieser Zustände mit dem Resonator wechselwirkt. Befindet sich das Atom im anderen Zustand verhält sich das Licht so, als wäre das Atom gar nicht da. Je nach Zustand des Atoms wird das Licht also entweder in das eine oder in das andere Glasfaserkabel geschickt.
„In der Quantenphysik ist es möglich, dass Objekte verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen“, sagt Arno Rauschenbeutel. Man kann also das Atom so präparieren, dass es sich gleichzeitig in beiden Schaltzuständen befindet. Dementsprechend liegen in jedem der beiden Glasfaserkabel auch die Zustände „Licht“ und „kein Licht“ gleichzeitig vor.
Was für den klassischen Lichtschalter zu Hause völlig undenkbar wäre, ist für einen „Quanten-Lichtschalter“ also kein Problem. „Spannend ist es nun, zu überprüfen, ob solche Überlagerungen auch mir stärkeren Lichtpulsen möglich sind – irgendwo müssen wir hier auf einen Übergang zwischen Quantenphysik und klassischer Physik stoßen“, meint Rauschenbeutel.
TU Wien / PH
