Forschung & Entwicklung

Starke Wechselwirkungen zwischen Lichtquanten

In einem Atom-Resonator-System lassen sich starke Wechselwirkungen zwischen verschiedenfarbigen Photonen beobachten.

Photonen treten nicht miteinander in Wechselwirkung. Schon im Alltag machen wir die Erfahrung, dass sich zwei Lichtstrahlen ungehindert kreuzen können, egal, ob es sich bei ihren Quellen um traditionelle Leuchten oder um Laser handelt. Eben diese Eigenschaft macht Photonen zu geeigneten Trägern von Quanteninformation für Quantenkommunikation und Quantencomputer. Für die Verarbeitung von Quanteninformation sind allerdings kontrollierte Wechselwirkungen zwischen den Photonen an sogenannten Quantenknoten erforderlich, welche die Rechenschritte ausführen.

Physiker der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben diese kontrollierte Wechselwirkung zwischen verschiedenfarbigen Lichtstrahlen auf dem Level einzelner Photonen nachgewiesen. Mithilfe eines in einem optischen Resonator gespeicherten Atoms beobachteten sie zwei Bereiche, in denen sich die Lichtfelder entweder gegenseitig blockieren oder das System gemeinsam passieren.

Trotz ihres Teilchencharakters verfügen Photonen weder über eine Masse noch über eine elektrische Ladung und können demzufolge nicht miteinander wechselwirken. Mit elektrisch geladenen Materieteilchen können sie jedoch aufgrund ihres elektrischen Feldes in Wechselwirkung treten. Wenn diese nichtlinear und ausreichend stark ist, kann sie ihrerseits genutzt werden, um eine Wechselwirkung zwischen Lichtquanten zu vermitteln. Der wahrscheinlich stärkste Effekt lässt sich erzielen, wenn das Atom nur zwei Energieniveaus besitzt, den Grundzustand und einen angeregten. Denn dann führt die Aufnahme eines ersten Photons dazu, dass das Atom zu einem Emitter wird; das heißt, die Transmission eines Photons hängt davon ab, ob zuvor ein anderes da gewesen ist.

Befindet sich das Atom zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln, dann kommt das eingestrahlte Photon immer wieder am Atom vorbei und ist gleichzeitig eingeschlossen in einem kleinen Volumen in dessen nächster Umgebung. Diese Technik führt zu einer starken Wechselwirkung auf dem Einzel-Photonen-Level. Strahlt man in diesen aus zwei Spiegeln geformten Resonator jedoch ein zweites Lichtfeld mit einer anderen Wellenlänge ein, dann lässt sich, bei einer geeigneten Energielevelstruktur, eine Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenfarbigen Photonen realisieren.

Christoph Hamsen und Kollegen vom MPQ gelang es, die technischen Herausforderungen zu meistern und ein sogenanntes N-System zu verwirklichen, an dem sie neuartige Effekte der gegenseitigen Blockade der Photonen beziehungsweise ihres nur gemeinsam möglichen Durchgangs beobachteten. Im Falle der Blockade arbeitete das System wie ein optischer Schalter, bei dem jedes Lichtfeld das andere ein- oder ausschalten kann. Diese Effekte beruhen auf der neuartigen Energielevelstruktur des Systems, das sich aus der starken Kopplung von zwei Lichtfeldern und dem Atom ergibt. In diesem Levelschema korrespondiert jeder einzeln anregbare Energiezustand mit einer spezifischen Kombination der Photonenzahlen in den beiden Strahlen.

Das neue System weist kohärente Wechselwirkung zwischen Photonen auf. Sein doppelt nichtlineares Niveauschema ebnet den Weg zu nichtlinearer Quantensensorik, bei der die Zahl der Photonen in dem einen Strahl ein Maß für die Zahl der Photonen in dem anderen Strahl ist.

Originalveröffentlichung:

[C. Hamsen, K. Nicolas Tolazzi, T. Wilk, G. Rempe, Strong coupling between photons of two light fields mediated by one atom, Nat. Phys. (2018), DOI: 10.1038/s41567-018-0181-1]

von mn

www.mpq.mpg.de

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