Mal angenommen, man dürfte einem Fußballspieler die Augen verbinden, ihn mehrmals um die eigene Achse drehen und im Anschluss bitten, im Blindflug einen Schuss zu wagen. Dass dieser ins Tor ginge, wäre wohl ausgesprochen unwahrscheinlich. Mit einem Trick haben es Bonner Physiker dennoch geschafft, in einer ähnlichen Situation eine neunzig-prozentige Trefferquote zu erzielen. Allerdings war ihr Spieler knapp zehn Milliarden mal kleiner als ein Mensch – und dazu erheblich unberechenbarer.
Abb.: Die vier Linsen umgeben den Resonator und dienen zur Fokussierung der Laserstrahlen, die das Atom im Resonator festhalten, sowie zur Beobachtung des Atoms. (Bild: M. Martinez-Dorantes / U. Bonn)
Es handelte sich um ein Rubidium-Atom, das die Forscher mit Laserlicht bestrahlt hatten. Das Atom hatte dabei Strahlungsenergie absorbiert und war in einen angeregten Zustand übergegangen. Dieser hat eine definierte Lebensdauer. Danach gibt das Atom die aufgenommene Energie wieder ab, indem es ein Lichtteilchen aussendet: ein Photon. In welche Richtung dieses Photon fliegt, ist rein zufällig. Das ändert sich jedoch, wenn man das Rubidium zwischen zwei parallel zueinander angebrachte Spiegel verfrachtet. Denn dann schießt das Atom vorzugsweise auf einen der Spiegel.
Dieses Phänomen wird Purcell-Effekt genannt. Dass es ihn gibt, wurde bereits vor einigen Jahrzehnten nachgewiesen. „Wir haben ihn nun für die zielgerichtete Emission von Photonen durch ein neutrales Atom genutzt“, erklärt Wolfgang Alt vom Institut für angewandte Physik der Universität Bonn.
Das Interesse am Purcell-Effekt ist groß – unter anderem deshalb, weil er den Bau von Quanten-Repeatern möglich macht. Diese benötigt man, um Quanteninformationen über weite Strecken zu übertragen. Denn man kann zwar ein Photon in einen bestimmten Quantenzustand versetzen und durch einen Lichtleiter versenden. Das geht aber nur über gewisse Distanzen; dann muss man das Signal zwischenspeichern.
Das geschieht im Quanten-Repeater: Dort wird das Photon beispielsweise zu einem Atom geleitet, das es verschluckt und dadurch in einen anderen Zustand übergeht. Auf einen Lesepuls mit einem Laserstrahl hin spuckt das Atom das Lichtteilchen wieder aus. Die gespeicherte Quanteninformation bleibt dabei erhalten.
Das abgegebene Photon muss nun aufgefangen und wieder in einen Lichtleiter eingespeist werden. Das ist aber schwierig, wenn es in einer zufälligen Richtung abgegeben wird. „Uns ist es gelungen, die Photonen durch den Purcell-Effekt auf die Bahn zwischen den beiden Spiegeln zu zwingen“, erklärt Alt. „Wir haben nun einen der Spiegel teilweise durchlässig gemacht und dort eine Glasfaser angeschlossen. Dadurch konnten wir das Photon relativ effizient in diese Faser einleiten.“
Der Purcell-Effekt hat zudem noch einen weiteren Vorteil: Er verkürzt den Zeitraum, den das Rubidium-Atom benötigt, um die Quanteninformation zu speichern und wieder abzugeben. Dieser Geschwindigkeitsgewinn ist ausgesprochen wichtig: Nur wenn der Repeater schnell genug arbeitet, kann er mit dem Sender der Information kommunizieren – einem Quantenpunkt. Quantenpunkte gelten heute als die wohl beste Quelle für einzelne Photonen, mit denen sich Quanteninformationen übertragen lassen. „Unsere Experimente bringen diese wichtige Zukunftstechnologie einen Schritt weiter“, meint Alt.
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