Forschung

Licht im Koffer

16.10.2020 - Transport von gespeicherten Photonen in Wolke aus Rubidiumatomen geglückt.

Forschern um Patrick Windpassinger von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, Licht in einem Quanten­speicher über eine Strecke von 1,2 Millimeter kontrolliert zu transportieren. Dabei hatten der Transport­prozess und seine Dynamik erfreulich geringe Auswirkungen auf die Eigenschaften des gespeicherten Lichts. Als Speicher­medium für das Licht dienten ultrakalte Rubidium-87-Atome, mit denen sich eine hohe Speicher­effizienz und -dauer erreichen lassen.

 

„Wir haben Licht gespeichert, wenn Sie so wollen, in einen Koffer eingesperrt, nur dass der Koffer aus einer Wolke aus kalten Atomen besteht. Diesen Koffer haben wir ein Stückchen weit transportiert und dann das Licht wieder rausgeholt. Das ist im Allgemeinen und im Zusammenhang mit Quanten­kommunikation höchst interessant, denn Licht lässt sich nicht besonders leicht ‚einfangen‘, und wenn man es dann auch noch kontrolliert woanders hin transportieren will, geht es in der Regel verloren”, veranschaulicht Wind­passinger den komplizierten Prozess.

Die kontrollierte Manipulation, die Speicherung sowie die Möglichkeit zum Abruf von Quanten­informationen sind eine wesentliche Basis, um in der Quanten­kommunikation Fortschritte zu erzielen und entsprechende Rechenoperationen in der Quantenwelt durchführen zu können. Optische Quanten­speicher, die das Speichern und Abrufen von durch Licht übertragenen Quanten­informationen bei Bedarf ermöglichen, sind für skalierbare Quanten­kommunikations­netzwerke unerlässlich, beispielsweise als wichtige Bausteine in Quanten­repeatern oder als Werkzeuge für das lineare Quanten­computing.

Ensembles von Atomen haben sich in diesem Zusammenhang in den letzten Jahrzehnten als sehr gute Medien für die Speicherung und Wiederauslese von optischen Quanten­informationen erwiesen: Basierend auf der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) werden einfallende Lichtimpulse eingefangen und kohärent in eine kollektive Anregung der Atome abgebildet. Da der Prozess weitgehend umkehrbar ist, lässt sich das Licht anschließend wieder mit hoher Effizienz auslesen.

Patrick Windpassinger und seine Kollegen zeigen nun darauf aufbauend in ihrer Veröffentlichung den aktiv kontrollierten Transport dieses gespeicherten Lichts über Entfernungen, die größer sind als die Größe des Speichermediums: Vor einiger Zeit haben sie eine Technik entwickelt, mit deren Hilfe Ensembles kalter Atome auf einem optischen Förderband, erzeugt aus zwei Laserstrahlen, „fahren” können. Der Vorteil dieser Methode ist, dass relativ viele Atome mit großer Genauigkeit transportiert und positioniert werden können ohne einen nennens­werten Verlust an Atomen, und ohne dass die Atome versehentlich erhitzt werden. Den Physikern ist es mittels dieser Methode jetzt gelungen, als Lichtspeicher fungierende Atom­wolken zu transportieren, die gespeicherte Information kann dann an anderer Stelle wieder abgerufen werden. Eine Erweiterung des vorgestellten Konzepts könnte es in der Zukunft ermöglichen, neuartige Quantengeräte zu entwickeln, wie etwa einen „Rennbahn”-Speicher für Licht mit verschiedenen Lese- und Schreib­abschnitten.

JGU / DE

 

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