Rauschärmster Laser der Welt

Mit nichtlinearen optischen Effekten gelingt es Physikern aus Hannover, das Quantenrauschen eines Infrarotlasers um 90 Prozent zu reduzieren.

Rauschfreie Laser durch gequetschtes Licht
Rauschfreie Laser durch gequetschtes Licht

Hannover - Licht aus Lasern unterliegt den gleichen statistischen Effekten wie das Licht, das man im Alltag vorfindet. Einen Effekt des Rauschens kennt jeder Besitzer einer Digitalkamera: Je dunkler es ist, desto verrauschter ist das Bild. Das liegt daran, dass die Photonen, also die einzelnen Lichtquanten, auf ein Bildelement so zufällig fallen wie Regentropfen auf einen gepflasterten Weg: Je weniger stark es regnet, desto unterschiedlicher ist im Verhältnis die Anzahl der Regentropfen auf jedem einzelnen Pflasterstein.

Für Interferenzmessungen, wie sie zum Beispiel in den Gravitationswellendetektoren durchgeführt werden, stört dieses Rauschen besonders. Um dieses Rauschen zu verringern "sortieren wir die Lichtquanten des Laserstrahls um und ordnen sie regelmäßiger an", erklärt Roman Schnabel, Junior-Professor an der Universität Hannover und dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Er und sein Team haben mit Hilfe eines nichtlinearen Kristalls und einem Hilfslaser die zufällig einlaufenden Photonen (Lichtquanten) miteinander verschränkt. Diesen Kristall beleuchten sie mit einem grünen Laserstrahl, der genau die halbe Wellenlänge des infraroten Lasers hat, aus dem das Rauschen entfernt werden soll. "Erst dieser Laser präpariert den Kristall so, dass er das infrarote Licht quetscht", sagt Roman Schnabel. Der grüne Laserstrahl polarisiert den Kristall, versetzt also die Elektronenhüllen der Kristallatome in Schwingungen - und zwar genau mit der Frequenz des grünen Lasers. In diesem Zustand kann der Kristall Photonen des infraroten Laserstrahls speichern. Und das tut er genau dann, wenn die Lichtteilchen des infraroten Lasers geballt auf den Kristall treffen. Wird der infrarote Photonenstrom wieder dünner, wird er mit dem im Kristall gespeicherten Licht aufgefüllt. So werden die Photonen gleichmäßiger angeordnet.

"Das Zufallsprinzip der Quantenphysik wird dadurch nicht verletzt", sagt Schnabel. "Nach wie vor ist das Auftauchen der Photonen nicht vorhersagbar. Doch wir können sie so miteinander verknüpfen, dass sie regelmäßige Abstände annehmen." Diesen Effekt bezeichnen Physiker als Verschränkung.

"Mit unserer Technik werden wir nun die Empfindlichkeit des Gravitationswellendetektors GEO600 deutlich erhöhen", so Schnabel. Und sogar in die wesentlich größeren US-amerikanischen LIGO Detektoren wird die Technik eingebaut. Mit den beiden Detektoren spüren Wissenschaftler den Gravitationswellen nach, wofür sie besonders präzise messen müssen. Weiteres Anwendungspotenzial hat das gequetschte Licht in der optischen Datenübertragung. Mit ihm ließen sich Daten sicher verschlüsseln, weil ein Lauschangriff die regelmäßige Anordnung der Lichtteilchen zerstören würde und daher leicht aufzudecken wäre. Schnabel: "Bei der Anwendung in der Quantenkryptographie stehen wir jedoch noch ganz am Anfang".