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Quantenoptik : Festplatte fürs Licht

Laserstrahlen lassen sich eine Minute lang speichern. Bild: dpa

Es klingt wie ein Zaubertrick: Laserpulse lassen sich abbremsen, stoppen und sogar festhalten. Darmstädter Physiker haben jetzt einen Rekord aufgestellt. Eine Speicherzeit von einer Minute. Eine interessante Perspektive für völlig neue Computerspeicher.

          Nichts kommt schneller voran, als das Licht im leeren Raum. In einer Sekunde legt es fast 300 000 Kilometer zurück. Transparente Substanzen wie Glas oder Wasser behindern indes die Ausbreitung von Lichtwellen und können deren Geschwindigkeit zum Teil um die Hälfte verringern. Will man das Licht noch weiter verlangsamen, muss man es durch Substanzen mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften schicken. Vor fünfzehn Jahren war es Wissenschaftlern um Lene Vestergaard Hau vom Rowland Institute for Science in Cambridge (Massachusetts) gelungen, einen Lichtstrahl in einer extrem kalten Wolke aus Natriumatomen abzubremsen und für Sekundenbruchteile sogar völlig zum Stehen zu bringen. Später schaffte man es, das Licht für einige Sekunden anzuhalten und dann wieder loszuschicken. Jetzt haben Physiker von der Technischen Universität Darmstadt das Kunststück in einem Festkörperkristall vollbracht. Sie konnten darin das Licht sogar eine geschlagene Minute lang gefangen halten. Damit ist ein wichtiges Etappenziel auf dem Weg zu einem Lichtspeicher erreicht worden, den man für künftige Quantencomputer nutzen könnte.

          Transparenz mit Zauberhand

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Forscher um Thomas Halfmann verwendeten einen Silikatkristall, der mit Atomen aus Praseodym, einem Element der seltenen Erden, angereichert und auf minus 269 Grad gekühlt war. Der Kristall ist üblicherweise lichtundurchlässig und hat einen ungewöhnlich hohen Brechungsindex. Für ihr Vorhaben nutzen die Physiker denselben Effekt wie die Gruppe um Lene Hau: die elektromagnetisch induzierte Transparenz. Durch Bestrahlung mit Laserlicht wird eine normalerweise lichtundurchlässige Substanz für einen kleinen Wellenlängenbereich plötzlich transparent.

          Im Fadenkreuz der Laserstrahlen

          Um diesen Effekt zu erzielen, richteten Halfmann und seine Kollegen den Lichtstrahl eines Kontrolllasers auf ihren drei Millimeter großen Kristall. Daraufhin ließ das Material rote Lichtpulse passieren. Die gemeinsame Wirkung der beiden Lichtstrahlen auf die Atome des Kristalls verhinderte, dass die roten Laserpulse absorbiert wurden. Sie konnten zwar in den Kristall eindringen, kamen darin aber nur noch im Schneckentempo voran. Das hatte zur Konsequenz, dass ein ursprünglich mehrere tausend Kilometer langer Lichtpuls so stark komprimiert wurde, dass er vollständig in den kleinen Kristall passte.

          Thomas Halfmann im Labor:  Blick auf das Experiment zum Stoppen und Speichern von Lichtpulsen.
          Thomas Halfmann im Labor: Blick auf das Experiment zum Stoppen und Speichern von Lichtpulsen. : Bild: Katrin Binner / TU Darmstadt

          Als ein Lichtpuls vollständig im Kristall verschwunden war, schalteten die Forscher den Kontrolllaser aus und hoben damit die elektromagnetische Transparenz auf. Da der Festkörper nun wieder undurchlässig geworden war, konnte sich das rote Licht im Kristall fortan nicht mehr ausbreiten. Es wurde quasi im Kristall festgehalten. Zentrale Informationen über den Lichtpuls wie dessen Intensität und Schwingungsform gingen dabei nicht verloren. Sie waren in den Elektronenspins der Praseodym-Atome abgelegt und ließen sich jederzeit wieder abrufen. Das zeigte sich, als die Forscher den Kristall durch den Kontroll-Laserstrahl wieder in den transparenten Zustand beförderten. Der Lichtpuls verließ den Kristall und setzte seinen Weg fort, als sei in der Zwischenzeit nichts geschehen.

          Gefahr von  Kollisionen

          Die Dauer, die der Lichtpuls in dem Kristall gefangen blieb, hing davon ab, wie lange seine Eigenschaften ungestört in den Elektronenspins der Praseodym-Atome konserviert werden konnten. Gefahr drohte von Stößen mit den benachbarten Atomen, die sich trotz der tiefen Temperatur nicht gänzlich unterdrücken ließen. Gegen den drohenden Informationsverlust halfen schließlich ein speziell geformtes Magnetfeld und eine ausgeklügelte Folge von Radiopulsen. Beides machte die Elektronenspins unempfindlich gegenüber äußere Störungen und verlängerte die Kohärenzzeit deutlich.

          Lichtspeicher für Quantencomputer?

          Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (Bd. 111, Nr. 033601) berichten, ließ sich auf diese Weise die Speicherzeit bis auf eine Minute ausdehnen. Ein Rekord, der nach Ansicht der Forscher noch überboten werden kann, wenn man einen Kristall verwendet, der anstelle von Praseodym, Europium-Atome enthält. Die theoretische Obergrenze läge hier bei einer Woche Speicherzeit, sagt Halfmann. Zur Veranschaulichung des Speichereffekts prägten die Physiker jedem roten Lichtpuls vor Eintritt in den Kristall ein Streifenmuster auf. Dieses trat vollends zum Vorschein, nachdem die Laserpulse sekundenlang im Kristall verschwunden gewesen waren und wiederauftauchten.

          Diese großen Zeitspannen und die Tatsache, dass man Licht jetzt auch in einem Festkörper zum Stillstand bringen, längere Zeit speichern und schließlich wieder freisetzen kann, erhöht die Aussicht,die quantenmechanischen Informationen von Photonen abzulegen, aufzufrischen und zu verarbeiten. Diese Vorgänge sind wesentliche Voraussetzungen für den Bau eines leistungsfähigen Quantencomputers, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt und dadurch herkömmlichen Rechnern weit überlegen sein sollte. Zum Speichern von Daten in einem Quantencomputer sind Festkörper besser geeignet als ultrakalte Gase, die mit viel Aufwand in der Nähe des absoluten Nullpunkts gehalten werden müssen.

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