Quantentransistor für Photonen

Garchinger Forscher manipulieren Licht mit Licht und nutzen dabei ein Atom in einem Resonator als Schalter

Licht soll künftig den Job machen, den heute Elektronen erledigen. Schnell und zuverlässig soll es in Rechnern Unmengen an Daten verarbeiten. Nun haben Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik einen optischen Transistor konstruiert, nach dessen Prinzip auch die kleinsten Schaltelemente in einem Computer der Zukunft arbeiten könnten. Mit einem Laserstrahl steuern sie, ob ein einzelnes Atom zwischen zwei Spiegeln den Photonenstrom eines zweiten Lasers passieren lässt - so wie eine Kontrollspannung den Stromfluss durch einen Transistor reguliert. Sie nutzen dabei einen quantenmechanischen Interferenzeffekt namens elektromagnetisch induzierte Transparenz, kurz EIT. Bislang ließ sich dieser Effekt nur mit sehr vielen Atomen demonstrieren. ( Nature 465, 755-758 (2010) doi:10.1038/nature09093)

Licht ist für Licht weniger als Luft. Ein Laserstrahl durchdringt einen anderen, ohne dass ihm die Begegnung nachher anzumerken wäre. Mit Licht lässt sich Licht also nicht manipulieren, Atome müssen zwischen den Strahlen vermitteln. Nun haben Forscher aus der Gruppe von Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching mit einem Kontrolllaser gesteuert, ob Licht durch ein System aus einem einzigen Atom und einem Resonator, einem Hohlraum zwischen zwei extrem gut reflektierenden Spiegeln, dringt. "Bislang hat man diese elektromagnetisch induzierte Transparenz nur mit Millionen von Atomen demonstriert", sagt Gerhard Rempe, Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut: "Doch wir haben bewiesen, dass dafür tatsächlich ein einziges Atom reicht."

Da ein einzelnes Atom nur sehr schwach mit einem Lichtstrahl interagiert, nutzen die Wissenschaftler den Hohlraum zwischen den Spiegeln, um die Wechselwirkung zwischen dem Atom und einem Laser zu verstärken. Zunächst schiebt eine sehr starke stehende Laserwelle das Atom, ein Teilchen des Alkalimetalls Rubidium, von der Seite in den Resonator. Das Atom reitet getragen von quantenmechanischen Effekten auf der Laserwelle. Zusätzliche Laser positionieren das Atom im Hohlraum und halten es dort bis zu 60 Sekunden fest. Soweit ist die Technik für die Garchinger Forscher Routine.

Das neue Experiment starten die Garchinger Forscher mit einem Laser, den sie Testlaser nennen und sehr stark abschwächen. Dieses optische Rinnsal schicken sie von hinten durch einen Spiegel in den Resonator. Die Spiegel lassen zwar nur 10 bis 100 von einer Millionen Photonen passieren und reflektieren damit sehr viel besser als jeder Badezimmerspiegel. Dennoch sammelt sich so allmählich Licht in dem Hohlraum, wenn die Wellenlänge auf den Hohlraum zwischen den Spiegeln abgestimmt ist: Sie muss so gewählt sein, dass ein Vielfaches der halben Wellenlänge in den Hohlraum passt, damit die Wellentäler und - berge nicht angeschnitten werden.

Im Resonator wird der Photonenstrom so lange hin und her reflektiert, bis sich ein beachtlicher Photonensee aufstaut. Durch den zweiten Spiegel in der Richtung des Laserstrahls tröpfelt ein Teil der Photonen dann wieder aus dem Resonator heraus. Bislang läuft der Versuch mit einem leeren Resonator, einen Lichtschalter gibt es damit noch nicht.

Diese Funktion übernimmt nun ein Atom zwischen den Spiegeln. Die Wellenlänge des Testlasers wählen die Garchinger Physiker nämlich so, dass sie auch exakt dem Energieunterschied zwischen zwei physikalischen Zuständen des Atoms entspricht. Dann aber verändert sich die Resonanzbedingung für das System aus Atom und Resonator. Anschaulich gesprochen, verändert das Atom den Platz, der dem Licht im Hohlraum zur Verfügung steht. Das heißt: Die Wellenlänge des Testlasers passt nicht länger zu dem System aus Atom und Spiegel und sein Photonenstrom bleibt jetzt ausgesperrt.

Das aber können die Forscher ändern, nämlich mit dem Kontrolllaser. Er verändert das System so, dass der Testlaser wieder passieren kann. Die Wellenlänge des Kontrolllasers ist wiederum auf einen energetischen Übergang zwischen zwei Zuständen des Atoms abgestimmt. Dabei entsteht eine physikalische Dreiecksbeziehung: Die Wellenlängen des Kontroll- und des Testlasers fallen mit Übergängen von zwei verschiednen Zuständen in einen einzigen Zustand zusammen. Dann passiert aber etwas eigenartiges: Das Atom wird nun nicht besonders oft in diesen gemeinsamen Zustand der beiden Übergänge angeregt, sondern gar nicht mehr.

"Dabei handelt es sich um einen quantenmechanischen Interferenzeffekt", sagt Martin Mücke, der das Experiment vorgenommen hat: "Wir knipsen den angeregten Zustand quasi aus." Dann aber gibt es den Übergang nicht mehr, den der Testlaser angesprochen hat. Der Testlaser erkennt das Atom nicht mehr, und das Atom wird durchsichtig für ihn. Das heißt: Der Kontrollstrahl wirkt wie ein Lichtschalter für den Testlaser, und das ganze System wird zu einer Art Transistor.

Mit einem einzelnen Atom können Mücke und seine Kollegen allerdings noch nicht zwischen völlig dunkel und hell umschalten. Ein einzelnes Atom lässt nämlich immer einen Teil des Lichts durch den Resonator. "Der Prüfstrahl trifft ein einzelnes Atom nur ziemlich selten so, dass er mit ihm wechselwirkt", erklärt Martin Mücke: "Da er zwischen den beiden Spiegeln sehr oft reflektiert wird, steigt die Wahrscheinlichkeit dafür zwar, völlig unterbrechen können wir den Testlaser damit aber noch nicht." Immerhin blendet ein einzelnes Atom bereits etwa ein Fünftel des Testlasers aus, und mit der EIT machen es die Forscher wieder fast völlig transparent. "Wir arbeiten jetzt daran, das Atom im Resonator besser zu fixieren", sagt Eden Figueroa, der zu der aktuellen Arbeit ebenfalls maßgeblich beigetragen hat: "Dann wird nämlich auch ein einzelnes Atom die Transmission des Testlaser fast vollständig unterdrücken."

"Mit unserem Experiment haben wir eine Grundlage geschaffen, um mit Quantensystemen Information zu verarbeiten", so Martin Mücke. Auf diese Weise lassen sich etwa Daten verschlüsseln, in Quantensimulatoren die Eigenschaften von Materie untersuchen oder mit Quantencomputern möglicherweise auch Daten in bislang unvorstellbarer Geschwindigkeit berechnen. Diesen Ideen gemeinsam ist, dass Photonen und Atome dabei zu Informationsträgern werden. "Wir arbeiten daran, die Wechselwirkungen zwischen Photonen sowie zwischen Photonen und Atomen besser kontrollieren zu können", sagt Gerhard Rempe. Denn nur dann können die Quantenteilchen in Zukunft auch zuverlässig Information verarbeiten.