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Photonen einzeln aussenden und einsammeln

QuantenmechanikAuf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie

Physiker testen mit einem Interferometer, ob die Standard-Quantenmechanik korrekt oder eine komplexere Theorie notwendig ist.

Auf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik testeten Physiker, ob die Quantenmechanik ein noch raffinierteres mathematisches Regelwerk benötigt. 

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PhotonenpistoleEinzelne Lichtteilchen aussenden und einsammeln

Davon träumen Forscher seit Jahrzehnten: die sogenannte Photonenpistole. Damit ist es möglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt genau ein Photon zu erhalten. Wie auf Bestellung.

Eine solche Einzelphotonenquelle ist beispielsweise in der Quanteninformationsverarbeitung von äußerster Wichtigkeit, wo sie die Realisierung eines Quantencomputers oder eine abhörsichere Kommunikation ermöglichen könnte. Forschern der School of Advanced Optical Technologies (SAOT) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts ist es nun gelungen, eine hocheffiziente Einzelphotonenquelle zu realisieren.

Die quantenmechanischen Eigenschaften des Lichts machen es schwierig, eine Photonenpistole technisch umzusetzen. Es ist nicht möglich, eine herkömmliche Lichtquelle, wie einen Laser oder eine Lampe, so abzuschwächen, dass man in einem gegebenen Zeitintervall genau ein Lichtteilchen erhält. Dies funktioniert nur mit Hilfe eines einzelnen Atoms oder Moleküls als Lichtquelle.

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Ein Atom kann nämlich, nachdem es angeregt wurde, nur ein Photon aussenden. Das Problem dabei ist, dass dieses Lichtteilchen in eine beliebige Richtung geschickt wird und man deshalb Schwierigkeiten hat, selbiges aufzusammeln.

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Die FAU-Forscher haben dieses Problem nun gelöst. Hierfür haben sie ein einzelnes Molekül in eine flächige Struktur eingebettet, die aus mehreren nanometerdicken Schichten besteht. Die Kopplung des Moleküls an diese Struktur, die wie eine Antenne funktioniert, ermöglicht es, die Photonen nun gerichtet abzustrahlen und so bequem aufzusammeln. Die Wahrscheinlichkeit hiermit ein Photon auf Knopfdruck unmittelbar zur Verfügung gestellt zu bekommen, liegt bei etwa 90 %.

Durch eine periodische Anregung mit einem gepulsten Laser, schafften es die Wissenschaftler, einen geordneten Strahl mit Photonen zu erzeugen. In diesem Lichtstrahl halten die Lichtteilchen Abstand, gleichsam wie Perlen auf einer Schnur. An jedem Ort entlang dieser „Kette“ sitzt im Idealfall genau ein Photon, niemals zwei und niemals keines.

Dies hat Folgen für die Intensitätsschwankungen des Lichts. Durch die gleichmäßige Photonenerzeugung ist das Rauschen der Quelle geringer, als das mit einer klassischen Lichtquelle gleicher Intensität möglich wäre. Das Besondere an der Erlanger Einzelphotonenquelle: Sie rauscht 40 % weniger als eine ideale klassische Lichtquelle gleicher Helligkeit, wobei vor allem der photonenzählende Detektor selber das Rauschen hervorruft. Diesbezüglich versprechen sich die Forscher daher eine deutliche Verbesserung durch neue Detektortechnologien.

Die sogenannte Photonenpistole ist nicht nur auf dem Gebiet der Quanteninformationstechnik von großer Bedeutung, sondern man könnte damit auch den globalen Standard für die Lichtstärke, die Candela, neu definieren. Außerdem ergeben sich für die moderne Mikroskopie bzw. Spektroskopie interessante neue Möglichkeiten.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in den renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht: DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.236.

Informationen:

Prof. Dr. Stephan Götzinger
E-Mail: stephan.goetzinger@mpl.mpg.de

Prof. Dr. Vahid Sandoghdar
E-Mail: vahid.sandoghdar@mpl.mpg.de

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