11.02.2022

Photonen mit Identitätsproblemen

Photonen zeigen in nicht-hermitescher Quantenoptik je nach den Bedingungen bosonischen oder fermionischen Charakter.

Die zersägte Jungfrau, das Kaninchen aus dem Hut, scheinbar schwebende Gegenstände — keiner dieser Klassiker darf im Zirkus-Repertoire eines Illusionisten fehlen, der etwas auf sich hält. Bekanntermaßen beruhen solche Kunststücke aber keineswegs auf übernatürlichen Fähigkeiten, sondern entspringen einer Kombination aus Schnelligkeit, Geschick und ausgeklügelten Täuschungs­manövern, mit dem Ziel, das staunende Publikum von den ganz realen Vorgängen auf der Bühne abzulenken. „Die physikalischen Grundgesetze kann man nicht aushebeln. Doch auch in der Physik muss man genau hinsehen, um sich von der Natur nicht hinters Licht führen zu lassen“, bemerkt Professor Alexander Szameit mit Blick auf die jüngsten Forschungs­ergebnisse seines Teams.

Abb.: Alexander Szameit, Matthias Heinrich und Max Ehrhardt (Bild: J. Tetzke /...
Abb.: Alexander Szameit, Matthias Heinrich und Max Ehrhardt (Bild: J. Tetzke / ITMZ / U. Rostock)

Er und seine Gruppe an der Universität Rostock spezialisieren sich auf die Nutzbarmachung von Licht für neue Technologien. Bereits heute ist Licht mit seinen vielfältigen Anwendungen in vielen Bereichen kaum noch wegzudenken. „In naher Zukunft wird Licht auch die Computertechnologie auf den Kopf stellen“, prophezeit Szameit. Die Quantenoptik macht sich das zuweilen magisch erscheinende Verhalten der kleinsten Lichtportionen – der Photonen – zunutze. „Der Illusionist in der Quantenoptik kommt dann zum Vorschein, wenn er den Photonen, also den Kaninchen, die Gelegenheit einräumt, zu verschwinden“, skizziert Szameit den faszinierenden quantenphysikalischen Sachverhalt und führt weiter aus: „Selbst, wenn Photonen ganz sicher nicht verloren gegangen sind, ändert allein die Möglichkeit des Verschwindens ihr Verhalten ganz grundlegend.“

Matthias Heinrich, Koautor und Mitarbeiter in Szameits Team, konkretisiert: „Paare von Lichtteilchen sind gewöhnlich fast unzertrennlich. Macht man ihnen jedoch das Leben schwer, indem man einige Photonen im Experiment verschwinden lässt, ihnen physikalisch gesprochen also Verluste zufügt, scheint es, als gingen sich die Photonen auf einmal aus dem Weg.“ Diese gegensätzlichen Verhaltensweisen sind normalerweise die Markenzeichen zweier verschiedener Klassen von Elementarteilchen: Bosonen, zu denen auch die Lichtteilchen zählen, sind für ihre Geselligkeit bekannt und treten als Pulk auf, während Fermionen, die Grundbausteine von Materie, ebendies tunlichst vermeiden.

Die Rostocker Physiker steuern die Ausbreitung von Lichtteilchen in Glaschips mithilfe lasergefertigter Schaltkreise. Hierbei konnte das Forscherteam die Polarisation – also die Schwingungs­richtung der Lichtteilchen – gezielt nutzen. „Die Polarisation entspricht in unseren Experimenten der Perspektive, mit der wir auf das Photonenpaar schauen“, erklärt Max Ehrhardt, Doktorand und Erstautor der Arbeit. „Aus dem einen Blickwinkel erscheinen die Photonen ganz herkömmlich wie Bosonen. Schaut man aber senkrecht dazu drauf, kommen Fermionen zum Vorschein“, schildert der Wissenschaftler seine verblüffenden Beobachtungen im Labor. Szameit vertieft: „Es kommt einem fast so vor, als käme man einem gewieften Illusionisten auf die Schliche. Dabei muss man ja in der Regel auch die richtige Perspektive wählen, damit der Trick offensichtlich wird. Und das ist selten diejenige, welche man gezielt präsentiert bekommt.“

Die Auswirkungen dieses bisher unbekannten Verhaltens sind allerdings ganz real, und so wirft diese bedeutende Entdeckung ein neues Licht auf das noch junge Forschungsgebiet der nicht-hermiteschen Quantenoptik, in der es den Photonen erlaubt ist – anders als in der herkömmlichen Quantenoptik – sich zu vervielfältigen oder zu verschwinden. Während Elementarteilchen für gewöhnlich klar als Bosonen oder Fermionen erkennbar sind, ist diese Einordnung in verlust­behafteten Strukturen mit den herkömmlichen Methoden nicht mehr ohne weiteres möglich. Hier sieht Szameit eine Chance: „Ungewollte Verluste durch die Absorption von Lichtteilchen sind bekanntermaßen allgegenwärtig. Zum Beispiel blockiert Fensterglas zehn bis zwanzig Prozent der Lichtteilchen, die es passieren wollen. Getönte Scheiben sogar deutlich mehr. Wenn wir ein solches Verhalten in der Quantenoptik beobachten können, heißt das, dass dadurch auch kleinste verborgene Photonen-Verluste mit hoher Präzision aufgespürt werden können.“

Genau dies wird für Design und Fehlerkontrolle von Quantenprozessoren in zukünftigen Computer-Generationen von großer Bedeutung sein. Denn bisherige Quanten­prozessoren setzen fundamental eine konstante Teilchenzahl voraus – das zufällige „Verschwinden“ eines informationstragenden Teilchens führt zwangsläufig zum Abbruch der jeweiligen Rechenoperation. Bis diese neuartigen Messmethoden in zukünftige lichtbasierte Quantentechnologien integriert werden können und damit auch Einzug in unser Leben erhalten, sind zwar noch einige Hürden zu überwinden. Angesichts des rapiden wissenschaftlichen Fortschritts scheinen aber auch diese nach Science-Fiction klingenden Ziele bereits in greifbarer Nähe.

U. Rostock / DE

 

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