Eine unmögliche Mission? Kann man Licht Sekundenbruchteile lang stoppen?

Ein Forschungsteam kann einzelne Photonen stoppen und sie per Knopfdruck wieder freilassen. Dieses Verfahren hat zahlreiche potenzielle Anwendungsmöglichkeiten. So könnte es zum Beispiel für eine abhörsichere Kommunikation genutzt werden.

Grundlagenforschung

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Die Fähigkeit, Licht zu stoppen und seine unglaubliche Geschwindigkeit zu nutzen, könnte der Schlüssel zur Entwicklung enorm leistungsfähiger Quantencomputer, ihrer Verbindung mit Hochgeschwindigkeits- und Hochkapazitätsquantennetzwerken sowie zur Entwicklung präziserer Sensoren und einer abhörsicheren Kommunikation sein. Aber ist es möglich, Licht zu stoppen, den schnellsten Bestandteil des Universums?

Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts LIMQUET (Light-Matter Interfaces for Quantum Enhanced Technology) ist es einem Forschungsteam gelungen, Licht winzige Sekundenbruchteile lang zu stoppen und es dann per Knopfdruck wieder freizulassen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten sogar einzelne Lichtteilchen stoppen, sogenannte Photonen, die „in der Quantentechnologie als Informationsträger genutzt“ werden, wie es in einer Pressemitteilung auf der Website der Partnerinstitution des LIMQUET-Projekts, der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt), heißt.

Dort sieht man Licht als spannenden Kandidaten zur Verwendung in der Quanteninformatik an, weil es Daten blitzschnell zwischen zwei Punkten entlang eines Glasfasernetzwerks übertragen kann. Da Photonen kaum mit der Umgebung interagieren, bleiben die übertragenen Informationen dabei unversehrt. Um das Potenzial des Lichts ausnutzen zu können, muss es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelingen, dass die Photonen stark miteinander interagieren, was sie von Natur aus nicht tun. In der Pressemitteilung heißt es: „In Quantencomputern der Zukunft sollen Lichtteilchen ihre Information auf Atome übertragen und umgekehrt. Auch dafür muss die Interaktion zwischen den beiden Teilchenarten verstärkt werden. Die von der Gruppe aus der TU Darmstadt gestoppten Photonen könnten das ermöglichen.“

In derselben Pressemitteilung wird auch erklärt, dass die Forschungsgruppe „eine besondere Glasfaser [nutzte]. Diese hat in der Mitte einen hohlen Kanal von weniger als zehn Tausendstel Millimetern Durchmesser. Um den Kern herum besitzt die Faser eine poröse Struktur, die Licht von sich fernhält. Dadurch konzentriert sich ein Laserstrahl in der Mitte des hohlen Kanals. Sein Querschnitt verengt sich auf rund einen Tausendstel Millimeter.“ Weiter heißt es: „Das Lichtbündel dient den Forschenden als eine Art Falle für Atome. Sie bringen Rubidium-Atome in die Hohlfaser. Diese sammeln sich aufgrund elektromagnetischer Kräfte in der Mitte des Laserstrahls. Nun schicken die Fachleute die Photonen in den Kanal, die sie stoppen wollen.“ Das Photon kommt dank zwei weiterer Laserstrahlen vollständig zur Ruhe, „die beidseitig in die Hohlfaser geführt werden“.

Quanteninformationsverarbeitung

Das Forschungsteam veröffentlichte vor Kurzem seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Optics Express“. Dort gibt es an: „Eine Versuchsplattform, die auf der Ebene einzelner Quanten arbeitet und eine starke Licht-Materie-Kopplung bietet, ist für die Quanteninformationsverarbeitung unerlässlich. Mit unserer Arbeit haben wir gezeigt, dass photonische Hohlfasern mit Bandlücke, die mit lasergekühlten Atomen gefüllt werden, trotz ihrer typischen komplizierten doppelbrechenden Eigenschaften als eine solche Plattform fungieren könnten. Daher stellen wir hier eine detaillierte, theoretische und experimentelle Studie vor, die eine Faser mit geeigneten Eigenschaften bestimmen soll, um auf der Ebene einzelner Photonen eingesetzt werden zu können.“

Das laufende Projekt LIMQUET bildet begabte junge Forscherinnen und Forscher in einem Netzwerk weiter, das aus akademischen und industriellen Partnern aus Bulgarien, Deutschland, Frankreich, der Schweiz und dem Vereinigten Königreich besteht. Es konzentriert sich auf „die Entwicklung innovativer Verfahren, um unter Verwendung von Atomen, Nanostrukturen und Photonen Schnittstellen zwischen Licht und Materie auf der Quantenebene für Anwendungen in der Optik und der Quanteninformationsverarbeitung bereitzustellen“, wie es auf der Projektwebsite heißt.

Weitere Informationen:
LIMQUET-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

LIMQUET, Quanteninformatik, Photon, Quanteninformationsverarbeitung, Optik