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PUBLIC RELEASE DATE: 28-Oktober-2004

Photonen unter controlle

Max-Planck-Forscher haben wichtigen Baustein für Quantencomputer und abhörsicheres Quanteninternet geschaffen



Abb.: Experimentelle Anordnung zur Einzelphotonerzeugung.
Bild: Max-Planck-Institut fr Quantenoptik

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Einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut fr Quantenoptik (MPQ) in Garching ist die Erzeugung einzelner Photonen mit bisher unerreichter Kontrolle gelungen (Nature, 28. Oktober 2004). Die Wissenschaftler verwendeten ein einzelnes Kalzium-Ion, das mit Hilfe einer Ionenfalle zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln lokalisiert war. Durch Einstrahlung externer Laserpulse wurde das System zur Aussendung einzelner Photonen veranlasst. Der Zeitpunkt der Emission und die Form des Photonenpulses knnen mit dieser Quelle optimal kontrolliert werden. Das Auergewhnliche der Quelle ist deren permanente Betriebsdauer, die der Speicherzeit der Ionen von typischerweise mehreren Stunden entspricht. Fr die Experimente gibt es wichtige Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Eine kontrollierte Quanten-Schnittstelle zwischen Atomen und Photonen ist der zentraler Baustein, um Operationen an atomaren Quantenzustnden mit dem optischen Quanteninformations-Austausch ber lngere Strecken zu verbinden. Damit ist eine entscheidende Voraussetzung fr die Realisierung eines abhrsicheren Quanten-Internets erfllt.

2005 begeht man weltweit das hundertjhrige Jubilum der Entdeckung des Photoeffektes durch Albert Einstein. Durch diese Erkenntnis erfuhr die Quantenhypothese Max Plancks aus dem Jahre 1900 eine weitere entscheidende Sttze. Seine Quantenhypothese besagt, dass das Licht in einzelnen winzigen Paketen weitergegeben wird, deren Energie von der Farbe des Lichtes abhngt. Der Photoeffekt erlaubt, die mittlere Anzahl der Pakete bzw. Photonen einer Lichtquelle zu bestimmen. Bei Glhbirnen sind dies beispielsweise Milliarden von Milliarden von Photonen. Wegen der groen Anzahl fallen die Schwankungen durch die Partikelstruktur des Lichtes nicht auf. Bei geringen Lichtintensitten, in Bereichen also, wo man es nur noch mit wenigen Photonen zu tun hat, ist die Schwankung des Photonenstromes jedoch entscheidend. Dabei zeigt sich, dass die Emission der Photonen durch Atome nicht kontrolliert werden kann und sozusagen dem Zufall berlassen ist - eine der Tatsachen der Quantenphysik, die Einstein nicht akzeptieren wollte und deshalb angenommen hat, die Theorie sei noch nicht vollstndig. "Gott wrfelt nicht" war seine Aussage.

Nunmehr ist es einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut fr Quantenoptik tatschlich gelungen, Emission von Photonen durch Atome zu kontrollieren. Darber hinaus knnen sie auch die spektralen Eigenschaften der emittierten Photonen steuern. Die Forscher bedienen sich dazu einer laserhnlichen Quelle, bei der das aktive Lasermaterial aus einem einzelnen Ion besteht. Ein Ion deshalb, weil es aufgrund seiner Ladung in einer Falle festgehalten werden kann. Es befindet sich zwischen zwei Spiegeln, dem so genannten Resonator. Angeregt wird das Ion durch einen von der Seite kommenden Laserpuls. Die Emission eines Photons erfolgt gleichzeitig in Richtung der Spiegel. Die Dauer des Anregungspulses legt auch die spektralen Eigenschaften des Photons fest. Bei einem lngeren Impuls ist die Frequenzverteilung schrfer, bei einem krzeren entsprechend breiter.

Dank der vollstndigen Kontrolle aller Parameter und der Optimierung der gesamten Anordnung haben Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange und Herbert Walther eine hochprzise Ionenfallen-Spiegel-Kombination verwirklicht. In dieser wird beispielsweise ein einzelnes Ion mit einer Genauigkeit von nur wenigen Nanometern an seinem Ort festgehalten. Anwendung knnte dieser Ein-Ion/Ein-Photon-Laser in der optischen Kommunikation finden. Er erlaubt es, bertragungsstrecken fr Nachrichten zu realisieren, die vllig abhrsicher sind, und ist somit auch Basis eines abhrsicheren Quanteninternets.

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[DS/AT]

Originalverffentlichung:

Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange & Herbert Walther
Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system
Nature, 28 October 2004