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Quantenoptik : Licht mit Samthandschuhen angefasst

  • -Aktualisiert am

Ein Photon sehen, ohne es zu absorbieren. Bild: MPQ, Abteilung Quantendynamik.

Misst man Photonen, werden sie normalerweise unwiederbringlich zerstört: Ein neuer empfindlicher Detektor verhindert das. Nun können die fragilen Lichtquanten bei der Übertragung und Verarbeitung von Informationen mehrfach benutzt werden.

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          Dank moderner Sensoren sind Astronomen und Physiker heute in der Lage, selbst die schwächsten Lichtsignale nachzuweisen, die von den entferntesten Sternen stammen oder von einzelnen Atomen ausgesandt werden, und so ihren Forschungsobjekten viele Geheimnisse zu entlocken. Die Lichtdetektoren sind inzwischen so empfindlich geworden, dass sie einzelne Lichtquanten, die Photonen, registrieren und zählen können. Alle bislang existierenden Verfahren zum Nachweis von Licht beruhen auf einem Prinzip: sie absorbieren die Photonen und zerstören sie dabei unwiederbringlich, sehr zum Nachteil vieler Anwendungen in der modernen Quantenoptik.

          Doch jetzt haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching einen neuartigen Photonendetektor entwickelt, der einzelne Lichtteilchen aufzuspüren vermag, ohne sie zu vernichten. Dadurch wird es erstmals möglich, ein und dasselbe Lichtteilchen mehrmals hintereinander zu sehen.

          Licht im Hohlraum eingesperrt

          Die Forscher um Gerhard Rempe und Stephan Ritter haben für ihr Verfahren eine Idee des französischen Physik-Nobelpreisträgers Serge Haroche abgewandelt. Er und seine Mitarbeiter haben eine Technik entwickelt, dank der man wenige Photonen in einem Hohlraumresonator einsperren und zählen kann. Als Sonde nutzen sie ein einzelnes Atom, das sie durch den Hohlraum fliegen lassen. Ohne dass ein Lichtteilchen absorbiert wird, ändert sich - je nach Zahl der vorhanden Photonen - der Quantenzustand des Atoms auf charakteristische Weise. Nachdem das Atom den Hohlraum verlassen hat, wird sein Zustand ermittelt und aus dem Ergebnis die Photonenzahl bestimmt.

          Ritter und seine Mitarbeiter haben den Versuchsaufbau ihrer französischen Kollegen gewissermaßen auf den Kopf gestellt. Sie hielten statt der Lichtteilchen ein einzelnes Rubidiumatom zwischen den beiden Spiegeln eines optischen Resonators fest. Einer der beiden Spiegel war geringfügig lichtdurchlässig. Durch ihn wurde das Photon, das es nachzuweisen galt, in den Resonator geschickt.

          Eingesperrtes Atom wird zum Sensor

          Die Forscher schalteten ihren Photonendetektor ein, indem sie das Atom im Resonator mit abgestimmten Laserstrahlen anregten und in einen Überlagerungszustand beförderten, wie man ihn häufig bei angeregten Quantenobjekten beobachtet. Das Rubidiumatom schwebte fortan in zwei Quantenzuständen gleichzeitig und verkörperte dadurch gewissermaßen die legendäre hypothetische Katze aus Erwin Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment, die paradoxerweise gleichzeitig tot und lebendig sein kann.

          Tot und lebendig: Schrödingers Katze
          Tot und lebendig: Schrödingers Katze : Bild: Dean Tweed, (http://www.49society.com)

          Befand sich das Rubidiumatom in dem einen, dem „toten“ Zustand, so konnte es das Photon, das durch den halbdurchlässigen Spiegel in den Resonator getreten war, nicht absorbieren. Das Lichtteilchen lief folglich ungehindert bis zum zweiten, perfekten Spiegel, wurde dort reflektiert, und verließ den Resonator auf dem umgekehrten Weg, auf dem es gekommen war.

          Das Atom fühlt das Lichtquant

          War das Atom hingegen im zweiten, dem „lebendigen“ Zustand, so befand es sich in Resonanz sowohl mit dem Hohlraum als auch mit dem eintreffenden Photon. Atom und Resonator bildeten nun eine stark gekoppelte Einheit, die ein ganz anderes Verhalten zeigt als jedes einzelne System. Wäre das Atom nicht im Resonator gefangen, dann hätte es vom Photon ohne Schwierigkeit angeregt werden können, und ohne das Atom hätte sich das Photon frei durch den Hohlraum bewegen können. Durch die starke Kopplung wurden die Eigenschaften des Hohlraums aber so stark verändert, dass das Photon nun gewissermaßen nicht mehr in diesen „hineinpasste“. Das Lichtteilchen wurde folglich, noch bevor es in den Resonator eintreten konnte, am ersten, dem halbdurchlässigen Spiegel reflektiert.

          Somit konnte das Rubidiumatom weder im „toten“ noch im „lebendigen“ Zustand das Photon absorbieren. Allerdings spürte das Atom im nichtresonanten, dem „toten“ Zustand die Anwesenheit des Photons im Resonator. Die Materiewelle des Atoms erfuhr eine charakteristische Phasenverschiebung, die sich auch auf den gesamten Überlagerungszustand auswirkte. Das in den Resonator eingedrungene Photon hatte somit eine verräterische Spur im Quantenzustand des Atoms hinterlassen, ohne dass es absorbiert wurde.

          Die verräterische Spur

          Um diese Spur des Photons sichtbar zu machen und damit die Existenz des Lichtteilchens im Resonator nachzuweisen, setzten Ritter und seine Kollegen das Rubidiumatom einer Folge von Lichtpulsen aus und beobachteten sein Fluoreszenzleuchten. War ein Photon zum Hohlraumresonator gelangt, leuchtete das Atom hell auf. Im anderen Fall verharrte es im ursprünglichen Zustand und zeigte folglich keine Fluoreszenz. Das Atom blieb dunkel. Auf diese Weise haben die Garchinger Forscher den ersten Lichtdetektor verwirklicht, der ein Photon eindeutig registriert und es gleichzeitig unversehrt lässt.

          Wie Ritter und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ (doi: 10.1126/science.1246164) berichten, können sie mit ihrem Detektor einzelne Photonen mit einer Wahrscheinlichkeit von 74 Prozent nachweisen. Herkömmliche „destruktive“ Detektoren erzielen eine Nachweiseffizienz von nur 60 Prozent. Weil ein Photon beim Nachweis nicht zerstört wird, kann man es sogar mehrfach registrieren.

          Das ist nach Ansicht der Forscher bei der Übertragung und Verarbeitung von Quanteninformationen mit Photonen von großem Vorteil. Denn die fragilen Quanteninformationen gehen üblicherweise beim Nachweis der Lichtteilchen verloren. Der neue Photonendetektor gestattet es nun, Photonen zu messen, ohne ihre Quantenzustände zu ändern.

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