Forschung & Entwicklung

Kleinste Lichtportionen auf Knopfdruck

Eine neuartige Einzelphotonenquelle funktioniert mit atomaren Gasen bei Raumtemperatur.

Klassische Lichtquellen senden viele Photonen gleichzeitig aus, in zufälliger Folge. Eine Einzelphotonenquelle sendet dagegen immer nur ein einzelnes Photon aus. Das Besondere an dieser Lichtquelle besteht darin, dass sie auch ohne aufwändige Kühlung mit flüssigen Gasen oder Lasern funktioniert.

Die Einzelphotonenquelle von Forschern der Universität Stuttgart funktioniert erstmals auch mit atomaren Gasen bei Raumtemperatur. Das Geheimnis steckt in einer scheckkartengroßen Glaszelle, die mit einem Dampf aus Rubidiumatomen gefüllt ist. Der Quantencharakter des erzeugten Lichts beruht auf den starken Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Atomen in der Dampfzelle. Damit die Atome stark interagieren, werden sie mit Laserlicht in hoch angeregte Rydberg-Zustände gebracht. Das sind Zustände, bei denen das äußerste Elektron jedes Atoms besonders weit vom restlichen Atom entfernt ist.

Aufgrund ihrer enormen Größe ist die Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen sehr stark. Eine einzelne Rydberg-Anregung lässt kein weiteres Rydberg-Atom in ihrer Nähe zu und blockiert damit praktisch die gesamte Atomwolke. „Da die Atome in einer mikroskopisch kleinen Glaszelle gefangen sind, kann immer nur eine Rydberg-Anregung in dieser Zelle vorkommen – ganz egal wie viele Atome in der Zelle eingesperrt sind“, erklärt Fabian Ripka vom Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. Klingt nun diese einzelne Anregung wieder ab, wird ein einzelnes ein Photon ausgesendet. Die Rydberg-Anregung und die Aussendung des Photons lassen sich gezielt steuern.

Einzelne Photonen spielen in quantentechnologischen Anwendungen schon heute eine wichtige Rolle. Da sie nicht unbemerkt kopiert werden können, eignen sie sich beispielsweise für die abhörsichere Quantenkommunikation und finden in der Quantenkryptographie Anwendung. Professor Tilman Pfau sieht zusätzlich großes Potenzial für Einzelphotonen in sogenannten Quantencomputern. „In photonischen Netzwerken werden Einzelphotonenquellen ein wesentlicher Bestandteil sein, um Quantenalgorithmen durchführen zu können“, meint der Quantenphysiker.

von mn

Originalveröffentlichung:

[F. Ripka, H. Kübler, R. Löw, T. Pfau, A room-temperature single-photon source based on strongly interacting Rydberg atoms, Science 362 (2018), DOI: 10.1126/science.aau1949]

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