Teilchen für Teilchen: Drehtür für Licht

Quantencomputer könnten in Zukunft auf der Kontrolle einzelner Lichtteilchen, den Photonen, aufbauen. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelang nun einem internationalen Team von Physikern: Sie bauten eine Art Drehtür für einzelne Photonen.

Pasadena (USA) - "Ein einziges Atom innerhalb eines Resonators kontrolliert dynamisch wie ein photonisches Drehkreuz die Aussendung einzelner Photonen", schreiben Barak Dayan vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen von der University of Auckland in Neuseeland und von der japanischen Technologie-Agentur Presto in Saitama. Die Wissenschaftlergruppe nutzte dazu die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht, zwischen Atomen und Lichtteilchen, aus. Kern der "photonischen Drehtür" ist ein kreisförmiger, optischer Resonator aus Siliziumdioxid, der mit lithografischen Methoden auf einem Silizium-Chip konstruiert wurde. Dieses lichtleitende Modul hat dabei außen einen Durchmesser von 25, innen von 6 Mikrometern. In geringem Abstand verläuft eine klassische Glasfaser, von der einzelne Photonen eingekoppelt werden können. Ziel des Experiments war es nun, die Anzahl der auslaufenden Photonen exakt zu regulieren.

Dayan und Kollegen konnten dies mit einem Strom kalter Caesiumatome realisieren. Diese bewegten sich in unmittalbarer Nähe zu dem optischen Resonator. Einzelne Atome hatten dabei starken Einfluss auf das Verhalten einzelner Photonen. Durch die resonante Absorption eines ersten Photons wird der energetisch niedrigste Eigenzustand erreicht. Die Absorption eines nachfolgenden, zweiten Photons wird dadurch blockiert. Mit diesem System aus Absorption und Blockade eines Photons erreichten die Forscher, dass mit einer Effizienz von derzeit etwa 25 Prozent kontrolliert einzelne Photonen aus dem Resonator zurück in die Glasfaser eingekoppelt werden konnten. In weiteren Experimenten hoffen die Forscher, die Effizienz dieses Photonen-Sortieres auf über 90 Prozent steigern zu können. Damit lockt für Quanteninformatiker ein relativ robustes System, um die Quantenzustände von Photonen besser untersuchen und für die Verarbeitung von Daten nutzen zu können.