„Lichtschnaps“ aus dem Laserstrahl: Forscher haben ein System entwickelt, mit dem sich einzelne Photonen präziser als bisher erzeugen lassen – und damit die Qubits für Quantencomputer und Quantennetzwerke. Die „Destille“ aus nur einem Atom isoliert die Einzelphotonen aus nahezu jedem beliebigen schwachen Laserlicht und kann dabei eine Reinheit von bis zu 96 Prozent erreichen, wie die Forscher berichten.
Ein normaler Lichtstrahl besteht aus Unmengen an Photonen – das ist gut für die Ausleuchtung eines Raumes oder klassische Laseranwendungen, aber viel zu viel für die Quantentechnologie. Denn Quantencomputer, Quantennetzwerke oder auch die Quantenkryptografie arbeiten mit einzelnen, säuberlich getrennten Photonen. Für diese Technologien werden daher Photonenquellen benötigt, die quasi auf Knopfdruck einzelne, in ihren Eigenschaften genau definierte Lichtteilchen abgeben.
Tröpfelnde Photonenquellen
Das Problem jedoch: Die gängigen Photonenquellen sind ziemlich unpräzise. Mal kommt gar nichts, dann wieder zwei oder drei Photonen auf einmal. Es ist ein wenig wie ein tropfender Wasserhahn, bei dem nicht vorhersagbar ist, wann der Tropfen fällt und wie groß er sein wird. Um gute Einphotonenquellen zu bekommen, müssen Forscher daher zwei Hürden überwinden. Die erste Herausforderung besteht darin, exakt ein Photon zu gewinnen, die zweite, es zuverlässig nachzuweisen.
Genau dies ist nun Severin Daiss und seinen Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gelungen – mit einem ungewöhnlichen Ansatz. Denn statt einfach eine bessere Quelle tröpfelnder Lichtquanten zu konstruieren, haben sie eine Methode entwickelt, um einzelne Photonen aus einer normalen schwachen Lichtquelle abzutrennen. Wie eine Art Destille scheidet ihr Verfahren einzelne Photonen aus dem Licht ab und drängt den Anteil des Vakuums zurück.
Ein Atom im Spiegelkabinett
Konkret besteht ihre Photonen-Destille aus einem einzelnen Rubidiumatom, das in einer Art Spiegelkabinett sitzt. Das Atom ist zwischen zwei fast perfekten Spiegeln gefangen, die einander gegenüberstehen. Der Abstand der Spiegel in diesem Resonator entspricht dem Mehrfachen der halben Lichtwellenlänge, in der das Atom ein eigenes Photon abstrahlen oder aufnehmen könnte. Wenn die Forscher nun schwaches Laserlicht in dieses System einstrahlen, beginnt die „Destillation“:
Das einfallende Licht verschränkt sich mit der Atom-Resonator-Anordnung und bildet damit einen gemeinsamen Quantenzustand. Dieser verschränkte Zustand macht das System zur Destille: Durch Messung des Quantenzustands des Atoms können die Physiker eine gerade oder eine ungerade Anzahl an Photonen aus dem eingestrahlten Licht extrahieren. „Entscheidend ist hier, dass wir das Atom nun als Zeiger benutzen können, der uns eine erfolgreiche Ein-Photon-Destillation meldet“, erklärt Daiss.
Reinheit von bis zu 96 Prozent
Im Experiment gelang es den Forschern bereits, Einzelphotonen mit einer Reinheit von 66 Prozent zu erzeugen und die Freisetzung von zwei oder mehr Photonen mit 95,5-prozentiger Zuverlässigkeit zu unterdrücken, wie sie berichten. „Würde man unser System auf aktuelle Glasfaserresonatoren übertragen, könnte man die Einzelphotonen-Reinheit auf bis zu 96 Prozent erhöhen“, so Daiss und sein Team.
Zudem kann man mehrere solcher „Photonendestillen“ hintereinanderschalten, um noch bessere Werte zu erreichen oder auch eine solche Destille mit einer herkömmlichen Photonenquelle koppeln. „Unser eleganter und technologisch einfacher Mechanismus ist plattformunabhängig und kann daher ein nützliches Werkzeug in modularen Quantennetzwerken sein“, konstatieren die Forscher. (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103/PhysRevLett. 122. 133603)
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
