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Glasfasern, durch die Laserlicht geleitet wird, sind heute das Rückgrat unserer modernen Informationsgesellschaft. Stellt man sich dabei das Laserlicht als Strom von Lichtteilchen vor, sogenannten Photonen, so sind diese v?llig unabh?ngig voneinander und ihre genaue Ankunftszeit ist dem Zufall überlassen. Insbesondere kann es also auch vorkommen, dass zwei Photonen gleichzeitig beim Empf?nger ankommen. Für viele Anwendungen ist es allerdings wünschenswert, dass immer nur ein Photon nach dem anderen registriert wird, die Lichtteilchen also wie an einer Perlenschnur aufgereiht sind. Derart vereinzelte Photonen sind zum Beispiel eine Grundvoraussetzung für die Quantenkommunikation, mit der man fundamental abh?rsicher kommunizieren kann. Bislang ben?tigte 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 noch eine Herausforderung, die Photonen effizient in eine Glasfaser ?einzuf?deln“, um m?glichst viele von ihnen auf die Reise zum Empf?nger zu schicken.

Wissenschaftlern aus Deutschland, D?nemark und ?sterreich ist es nun erstmals gelungen, Laserlicht in Glasfasern mittels eines neuartigen Effekts direkt in einen Strom einzelner Photonen umzuwandeln. Der Vorschlag für das Experiment kam von theoretischen Physikern der Leibniz Universit?t Hannover und der Universit?t Kopenhagen. Durchgeführt wurde es schlie?lich in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel (Humboldt-Universit?t zu Berlin, vormals an der Technischen Universit?t Wien). Hierfür nutzten die Forscher eine leistungsf?hige Atom-Licht-Schnittstelle, in der Atome in der N?he von sogenannten optischen Nanofasern gefangen und in kontrollierter Weise mit dem in der Nanofaser geführten Licht gekoppelt werden. Diese speziellen Glasfasern sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar und die Atome werden mit einer Pinzette aus Laserlicht 0,2 Mikrometer von der Glasfaser-Oberfl?che entfernt festgehalten. Zugleich werden sie mittels Laserlicht auf eine Temperatur von wenigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Dieses System erm?glichte den Forschern eine pr?zise Kontrolle über die Anzahl Atome entlang des Laserstrahls.

Im Experiment analysierten die Forscher dann, wie h?ufig die Photonen einzeln bzw. in Paaren aus der Faser herauskamen. Wenn ca. 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, das einen Strom von Menschen reguliert. ?berraschend war, dass sich der Effekt bei einer Erh?hung der Atomanzahl ins Gegenteil verkehrte: Dann lie?en die Atome die Photonen bevorzugt in Paaren passieren.

Mit dieser Entdeckung er?ffnet sich ein v?llig neuer Weg, um leuchtstarke, faserintegrierte Einzelphotonenquellen zu realisieren. Gleichzeitig l?sst sich das von den Forschern demonstrierte Prinzip auf weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums (Mikrowellen bis R?ntgenstrahlung) anwenden. Damit er?ffnet sich die M?glichkeit, Einzelphotonen in Spektralbereichen zu erzeugen, für die bis jetzt keine Quellen zur Verfügung stehen. Einen Patentantrag für diesen Ansatz haben die Forscher bereits eingereicht.

Publikation

“Correlating photons using the collective nonlinear response of atoms weakly coupled to an optical mode”, Adarsh S. Prasad, Jakob Hinney, Sahand Mahmoodian, Klemens Hammerer, Samuel Rind, Philipp Schneeweiss, Anders S. S?rensen, Jürgen Volz, and Arno Rauschenbeutel, Nature Photonics. 21.09.2020, DOI 10.1038/s41566-020-0692-z

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• Arbeitsgruppe Grundlagen der Optik und Photonik
• H?ren Sie auch den HU-Podcast mit Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel:
  ?Von Licht, Atomen und Geheimdiensten“

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Prof. Dr. Rauschenbeutel
Institut für Physik
Humboldt-Universit?t zu Berlin

Tel.: 030 2093-82152
arno.rauschenbeutel@hu-berlin.de