Ein Drehkreuz für Photonen

Glasfasern, durch die Laserlicht geleitet wird, sind das Rückgrat unserer modernen Informations­gesell­schaft. Stellt man sich dabei das Laserlicht als Strom von Photonen vor, so sind diese völlig unabhängig vonein­ander und ihre genaue Ankunfts­zeit ist dem Zufall über­lassen. Insbesondere kann es also auch vorkommen, dass zwei Photonen gleich­zeitig beim Empfänger ankommen. Für viele Anwendungen ist es aller­dings wünschens­wert, dass immer nur ein Photon nach dem anderen registriert wird. Derart vereinzelte Photonen sind zum Bespiel eine Grund­voraus­setzung für die Quanten­kommuni­kation, mit der man fundamental abhör­sicher kommuni­zieren kann. Bislang benötigte man als Quelle für einen solchen Strom einzelner Photonen einzelne Quanten­emitter, wie zum Beispiel einzelne Atome oder Moleküle. Regt man den Quanten­emitter mit Laserlicht zur Fluoreszenz an, so sendet er bei jedem Quanten­sprung immer genau ein Photon aus. Dabei ist es eine Heraus­forderung, die Photonen effizient in eine Glasfaser einzu­fädeln, um möglichst viele von ihnen auf die Reise zum Empfänger zu schicken.

Wissenschaftlern aus Deutschland, Dänemark und Österreich ist es jetzt erstmals gelungen, Laserlicht in Glasfasern mittels eines neuartigen Effekts direkt in einen Strom einzelner Photonen umzuwandeln. Der Vorschlag für das Experiment kam von Sahand Mahmoodian und Klemens Hammerer von der Uni Hannover und Kollegen der Uni Kopenhagen. Durch­geführt wurde es schließlich in der Arbeits­gruppe von Arno Rauschen­beutel an der Humboldt-Universität zu Berlin. Hierfür nutzten die Forscher eine leistungs­fähige Atom-Licht-Schnitt­stelle, in der Atome in der Nähe von optischen Nanofasern gefangen und in kontrol­lierter Weise mit dem in der Nanofaser geführten Licht gekoppelt werden. Dabei werden die Atome mit einer Pinzette aus Laserlicht 0,2 Mikro­meter von der Glasfaser-Oberfläche entfernt fest­gehalten. Zugleich werden sie mittels Laserlicht auf eine Temperatur von wenigen Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. ´

Dieses System ermöglichte den Forschern eine präzise Kontrolle über die Anzahl der Atome entlang des Laserstrahls. Im Experiment analysierten die Forscher dann, wie häufig die Photonen einzeln oder in Paaren aus der Faser heraus­kamen. Wenn etwa 150 Atome an der Nanofaser gefangen waren, stellte sich heraus, dass das trans­mit­tierte Licht praktisch nur noch aus einzelnen Photonen bestand. Im Kollektiv wirkten die Atome für die Photonen also wie ein Dreh­kreuz. Über­raschend war, dass sich der Effekt bei einer Erhöhung der Atom­anzahl ins Gegenteil verkehrte: Dann ließen die Atome die Photonen bevorzugt in Paaren passieren.

Mit dieser Entdeckung eröffnet sich ein völlig neuer Weg, um leucht­starke, faser­integrierte Einzel­photonen­quellen zu realisieren. Gleich­zeitig lässt sich das von den Forschern demonstrierte Prinzip auf weite Bereiche des elektro­magne­tischen Spektrums von Mikro­wellen bis Röntgen­strahlung anwenden. Damit eröffnet sich die Möglich­keit, Einzel­photonen in Spektral­bereichen zu erzeugen, für die bis jetzt keine Quellen zur Verfügung stehen. Einen Patent­antrag für diesen Ansatz haben die Forscher bereits eingereicht.

LUH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. S. Prasad et al.: Correlating photons using the collective nonlinear response of atoms weakly coupled to an optical mode, Nat. Photonics, online 21. September 2020; DOI: 10.1038/s41566-020-0692-z
• Theoretische Quantenoptik, Institut für theoretische Physik, Leibniz-Universität Hannover
• Grundlagen der Optik und Photonik, Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin