Forschung & Entwicklung

Faserkopplung für Quantenrepeater

Eine neue Methode eignet sich potenziell zur Herstellung sogenannter Quantenrepeater. Dazu wurde ein Effekt genutzt, mit dem sich Lichtteilchen sehr viel zielgerichteter emittieren lassen.

Forscher der Universität Bonn haben ein Rubidiumatom mit Laserlicht bestrahlt. Das Atom hat dabei Strahlungsenergie absorbiert und war in einen angeregten Zustand übergegangen, der eine definierte Lebensdauer hat. Danach gibt das Atom die aufgenommene Energie wieder ab, indem es ein Photon aussendet. In welche Richtung dieses Photon fliegt, ist rein zufällig. Das ändert sich jedoch, wenn man das Rubidium zwischen zwei parallel zueinander angebrachte Spiegel platziert. Denn dann schießt das Atom vorzugsweise auf einen der Spiegel. Dieses Phänomen wird Purcell-Effekt genannt. Dass es ihn gibt, wurde bereits vor einigen Jahrzehnten nachgewiesen. „Wir haben ihn nun für die zielgerichtete Emission von Photonen durch ein neutrales Atom genutzt“, erklärt Dr. Wolfgang Alt vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn.

Das Interesse am Purcell-Effekt ist groß – unter anderem deshalb, weil er den Bau sogenannter Quantenrepeater möglich macht. Diese benötigt man, um Quanteninformationen über weite Strecken zu übertragen. Denn man kann zwar ein Photon in einen bestimmten Quantenzustand versetzen und durch einen Lichtleiter versenden. Das geht aber nur über gewisse Distanzen; dann muss man das Signal zwischenspeichern.

Das geschieht im Quantenrepeater: Dort wird das Photon beispielsweise zu einem Atom geleitet, das es verschluckt und dadurch in einen anderen Zustand übergeht. Auf einen Lesepuls mit einem Laserstrahl hin gibt das Atom das Lichtteilchen wieder ab. Die gespeicherte Quanteninformation bleibt dabei erhalten. Das abgegebene Photon muss nun aufgefangen und wieder in einen Lichtleiter eingespeist werden. Das ist aber schwierig, wenn es in einer zufälligen Richtung abgegeben wird. „Uns ist es gelungen, die Photonen durch den Purcell-Effekt auf die Bahn zwischen den beiden Spiegeln zu zwingen“, erklärt Alt. „Wir haben nun einen der Spiegel teilweise durchlässig gemacht und dort eine Glasfaser angeschlossen. Dadurch konnten wir das Photon relativ effizient in diese Faser einleiten.“

Der Purcell-Effekt hat zudem noch einen weiteren Vorteil: Er verkürzt den Zeitraum, den das Rubidiumatom benötigt, um die Quanteninformation zu speichern und wieder abzugeben. Dieser Geschwindigkeitsgewinn ist ausgesprochen wichtig. Nur wenn der Repeater schnell genug arbeitet, kann er mit dem Sender der Information kommunizieren – einem sogenannten Quantenpunkt. Quantenpunkte gelten heute als die wohl beste Quelle für einzelne Photonen, mit denen sich Quanteninformationen übertragen lassen – und das absolut abhörsicher. „Unsere Experimente bringen diese wichtige Zukunftstechnologie einen Schritt weiter“, meint Alt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[J. Gallego, W. Alt, T. Macha, M. Martinez-Dorantes, D. Pandey, D. Meschede, Strong Purcell effect on a neutral atom trapped in an open fiber cavity, Phys. Rev. Lett. 121 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.173603]

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