Zerstörungsfreier Nachweis einzelner optischer Photonen

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching konnten erstmals einzelne Photonen aus dem sichtbaren Teil des Spektrums detektieren, ohne diese dabei zu zerstören. Dies war bisher nur im Mikrowellenbereich gelungen, wofür der Physiker Serge Haroche 2012 den Nobelpreis erhielt. Die neue Nachweismethode, über die Andreas Reiserer und seine Kollegen jetzt im Fachjournal „Science“ berichten, könnte in der optischen Quanteninformationsverarbeitung zum Einsatz kommen.

Oben: Zwei schematische Skizzen des Resonators. Man sieht jeweils zwei dicke Scheiben, die Spiegel darstellen sollen. In der Mitte ein kleines Kügelchen, das Atom. Ein von rechts kommendes Photon wird durch große Pfeile dargestellt. In Bild (A) sind einige parallele Lichtstrahlen im Resonator angedeutet, in Bild (B), wo das Atom in einem anderen Zustand ist, nicht. 

Unten: Die quantenmechanischen Zustände des Atoms sind als Punkte auf einer Kugeloberfläche dargestellt. Oben ist Zustand 1, unten Zustand 2 und auf dem Äquator die Überlagerungszustände. Zustandsänderungen werden mit Pfeilen angedeutet. Im letzten Bild gehen vom Punkt bei Zustand 2 mehrere kleine gewellte Pfeile aus, die die Fluoreszenz darstellen.
Veranschaulichung des Messprinzips

Die Wissenschaftler benutzten für den Nachweis der Photonen einen optischen Resonator. Darin kann Licht zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert und so gespeichert werden. Im Inneren des Resonators platzierte das Team um Reiserer ein einzelnes Rubidiumatom und präparierte es so, dass es zwei quantenmechanische Zustände gleichzeitig einnahm. Mit einem einige Meter entfernt aufgebauten Laser schickten sie dann schwache Lichtpulse, die im Mittel weniger als ein Lichtteilchen enthielten, auf den Resonator. Diese wurden dort reflektiert, wodurch es in dem Rubidiumatom jeweils zu einer Zustandsänderung kam, die die Wissenschaftler messen konnten. Auf diese Weise konnten sie die Photonen indirekt nachweisen. Die reflektierten Photonen wurden anschließend zum Vergleich mit einem herkömmlichen Detektor ein zweites Mal nachgewiesen. 74 Prozent aller Lichtteilchen ließen sich mit dem verwendeten Aufbau nachweisen, wobei diese Effizienz laut den Forschern noch erhöht werden könne.

Detektoren für einzelne Photonen, insbesondere für solche im optischen Bereich, sind schon lange verfügbar und werden in vielen Bereichen der Wissenschaft eingesetzt. Üblicherweise wird die Energie des Photons dabei jedoch komplett absorbiert, sodass es nach seiner Detektion nicht mehr existiert. Dass ein zerstörungsfreier Nachweis möglich ist, zeigten Haroche und sein Team bereits 1999, wobei sie Mikrowellen verwendeten. „Die Unterschiede zwischen optischen und Mikrowellenphotonen schlagen sich natürlich auch in den Anwendungsmöglichkeiten nieder“, betont Koautor Stephan Ritter. Insbesondere in der optischen Quanteninformationsverarbeitung und für Quantennetzwerke ließe sich die neue Methode einsetzen. „Auf Basis des von uns demonstrierten Mechanismus sollte sich in Zukunft auch ein Quantengatter, also der elementare Baustein eines Quantencomputers, zwischen einem Photon und einem Atom realisieren lassen.“