Photonen unter Kontrolle

Forschern in Garching gelang die Erzeugung einzelner Photonen mit bisher unerreichter Kontrolle - ein wichtiger Baustein für Quantencomputer.

Einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching ist die Erzeugung einzelner Photonen mit bisher unerreichter Kontrolle gelungen. Die Wissenschaftler verwendeten ein einzelnes Kalzium-Ion, das mit Hilfe einer Ionenfalle zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln lokalisiert war. Durch Einstrahlung externer Laserpulse wurde das System zur Aussendung einzelner Photonen veranlasst. Der Zeitpunkt der Emission und die Form des Photonenpulses können mit dieser Quelle optimal kontrolliert werden. Das Außergewöhnliche der Quelle ist deren permanente Betriebsdauer, die der Speicherzeit der Ionen von typischerweise mehreren Stunden entspricht. Für die Experimente gibt es wichtige Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Eine kontrollierte Quanten-Schnittstelle zwischen Atomen und Photonen ist der zentraler Baustein, um Operationen an atomaren Quantenzuständen mit dem optischen Quanteninformations-Austausch über längere Strecken zu verbinden. Damit ist eine entscheidende Voraussetzung für die Realisierung eines abhörsicheren Quanten-Internets erfüllt.

Abb.: Experimentelle Anordnung zur Einzelphotonerzeugung. (Quelle: MPI für Quantenoptik)

2005 begeht man weltweit das hundertjährige Jubiläum der Entdeckung des Photoeffektes durch Albert Einstein. Durch diese Erkenntnis erfuhr die Quantenhypothese Max Plancks aus dem Jahre 1900 eine weitere entscheidende Stütze. Seine Quantenhypothese besagt, dass das Licht in einzelnen winzigen Paketen weitergegeben wird, deren Energie von der Farbe des Lichtes abhängt. Der Photoeffekt erlaubt, die mittlere Anzahl der Pakete bzw. Photonen einer Lichtquelle zu bestimmen. Bei Glühbirnen sind dies beispielsweise Milliarden von Milliarden von Photonen. Wegen der großen Anzahl fallen die Schwankungen durch die Partikelstruktur des Lichtes nicht auf. Bei geringen Lichtintensitäten, in Bereichen also, wo man es nur noch mit wenigen Photonen zu tun hat, ist die Schwankung des Photonenstromes jedoch entscheidend. Dabei zeigt sich, dass die Emission der Photonen durch Atome nicht kontrolliert werden kann und sozusagen dem Zufall überlassen ist - eine der Tatsachen der Quantenphysik, die Einstein nicht akzeptieren wollte und deshalb angenommen hat, die Theorie sei noch nicht vollständig. "Gott würfelt nicht" war seine Aussage.

Nunmehr ist es einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik tatsächlich gelungen, Emission von Photonen durch Atome zu kontrollieren. Darüber hinaus können sie auch die spektralen Eigenschaften der emittierten Photonen steuern. Die Forscher bedienen sich dazu einer laserähnlichen Quelle, bei der das aktive Lasermaterial aus einem einzelnen Ion besteht. Ein Ion deshalb, weil es aufgrund seiner Ladung in einer Falle festgehalten werden kann. Es befindet sich zwischen zwei Spiegeln, dem so genannten Resonator. Angeregt wird das Ion durch einen von der Seite kommenden Laserpuls. Die Emission eines Photons erfolgt gleichzeitig in Richtung der Spiegel. Die Dauer des Anregungspulses legt auch die spektralen Eigenschaften des Photons fest. Bei einem längeren Impuls ist die Frequenzverteilung schärfer, bei einem kürzeren entsprechend breiter.

Dank der vollständigen Kontrolle aller Parameter und der Optimierung der gesamten Anordnung haben Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange und Herbert Walther eine hochpräzise Ionenfallen-Spiegel-Kombination verwirklicht. In dieser wird beispielsweise ein einzelnes Ion mit einer Genauigkeit von nur wenigen Nanometern an seinem Ort festgehalten. Anwendung könnte dieser Ein-Ion/Ein-Photon-Laser in der optischen Kommunikation finden. Er erlaubt es, Übertragungsstrecken für Nachrichten zu realisieren, die völlig abhörsicher sind, und ist somit auch Basis eines abhörsicheren Quanteninternets.

Quelle: MPG \[DS/AT\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange & Herbert Walther, Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system, Nature 431, 1075 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02961 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching:
  http://www.mpq.mpg.de 
• University of Sussex, Brighton/Großbritannien:
  http://www.sussex.ac.uk 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Ionenfallen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Quantenoptik.