Photonen mit Atomen zählen

Französische Physiker entwickelten eine Methode, um Photonen zerstörungsfrei zu zählen.

Paris (Frankreich) – Wer Photonen nachweisen will, musste sie bislang unweigerlich bei der Messung zerstören. Dies gilt nun nicht mehr. Französische Physiker entwickelten eine Methode, um Lichtteilchen zerstörungsfrei zu zählen. Die Oszillationen von angeregten Rubidiumatomen dienen dabei als Zählsonde. Ihr für die Analyse von Quantenzuständen wichtiges Experiment stellen die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ vor.

„Alle bisherigen Methoden für das Zählen von diskreten Photonen zerstörten zugleich die Lichtteilchen“, sagt Serge Haroche von vom Laboratoire Kastler Brossel an der Ecole Normale Supérieure in Paris. „Das Photon starb – wie der griechische Soldat von Marathon – nach Übergabe seiner Nachricht.“ Doch durch die Wechselwirkung der Photonen mit Materie können angeregte Rubidiumatome die Anzahl an gespeicherten Lichtteilchen zerstörungsfrei bestimmen. Das Experiment baut auf dem gleichen Prinzip auf, mit dem Haroche und Kollegen bereits vor wenigen Monaten den Quantenzustand von Photonen bestimmen konnten.

Die Wissenschaftler kühlten dazu einen Mikrowellen-Resonator auf unter ein Kelvin ab, um Fehler durch thermische Effekte zu vermeiden. In dieser Photonenfalle liegen sich zwei gewölbte Kupferspiegel gegenüber, die mit einer supraleitenden Schicht aus Niob beschichtet wurden. In dieser Photonenfalle konnten die Forscher mehrere Lichtteilchen für etwa eine Zehntel Sekunde speichern. Über ihr elektrisches Feld treten die Photonen mit den Rubidiumatomen, die sie in einem feinen Strahl durch den Resonator schicken, in Wechselwirkung, ohne selbst durch Absorption vernichtet zu werden. Die so spezifisch veränderten Atome konnten hinter der Photonenfalle mit einem so genannten Ramsey-Interferometer nachgewiesen und analysiert werden.

Konkret beeinflusst jedes einzelne Photon die Schwingungsrate eines Elektrons des Rubidiumatoms zwischen zwei diskreten Energieniveaus. Jedoch sind aus quantenphysikalischen Gründen viele einzelne Messungen mit jeweils einem Rubidiumatom nötig, um auf eine diskrete Zahl an Photonen rückschließen zu können. Denn aufgrund der Heisenbergschen Unschärfe kann das zu Beginn kohärente Mikrowellenfeld nicht auf eine diskrete Anzahl an Photonen festgelegt werden. Die erste Messung ergibt daher eine Gleichverteilung, die nur auf 0 bis 7 Photonen schließen lässt.

Mit weiteren Messungen jedoch kollabiert diese so genannte Superposition der Photonen Schritt für Schritt. Die Kohärenz geht verloren und eine diskrete Anzahl an Lichtteilchen bildet sich in den Analysespektren der Rubidiumatome heraus. Nach etwa 100 Messungen konnten Haroche und Kollegen auf die genaue Anzahl der in ihrem Resonator gespeicherten Photonen rückschließen.

Technische Anwendungen werden sich so bald für diese bei tiefsten Temperaturen durchgeführte Zählungen nicht ergeben. Dennoch ist dieser zerstörungsfreie Photonenzähler von großer Bedeutung für die Untersuchung von Quantenphänomenen von Strahlung und für die Entwicklung von Quantencomputern. In diesen können Lichtteilchen für die Berechnung und Übertragung von Daten genutzt werden. Die sanft durchfliegenden Atome könnten dann quasi das Auslesen dieser Quantendaten übernehmen ohne die Photonen und damit das Rechenergebnis zu zerstören.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Christine Guerlin et al., Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting, Nature 448, 889 (2007).
  http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7156/abs/nature06057.html
• Département de Physique de l'Ecole Normale Supérieure, Paris:
  http://www.phys.ens.fr
• Laboratoire Kastler Brossel:
  http://www.spectro.jussieu.fr