Einzelne Photonen mit Quantenverschränkung detektieren

13. Juli 2013, 17:31
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Extrem empfindliche Methode für die Spektroskopie atomarer und molekularer Ionen in Innsbrucker Labor realisiert

Innsbruck - Innsbrucker Quantenphysikern ist es gelungen, eine äußerst empfindliche Messmethode zu entwickeln, mit der im Labor Informationen über geladene Atome (Ionen) und Moleküle gesammelt werden können. Dafür nützen sie das Phänomen der Quantenverschränkung. Bisher kaum messbare kleinste Veränderungen ihres Untersuchungsobjekts können die Physiker anhand der Tatsache ablesen, dass sich der leichter zu analysierende innere Zustand eines Referenzteilchens mitverändert. Ihre neue Spektroskopie-Methode haben die Forscher nun in der Fachzeitschrift "Nature Photonics" präsentiert.

Die Methode der Spektroskopie wird in vielen Wissenschaftsfeldern angewendet. Grob gesagt geben Atome und Moleküle, wenn sie mit bestimmten Anteilen des elektromagnetischen Lichtspektrums bestrahlt werden, Informationen über ihre innere Struktur weiter, weil sie das einfallende Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge unterschiedlich streuen.

Die Forscher vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und des Instituts für Experimentalphysik der Universität Innsbruck bewegen sich auf der Ebene der kleinsten Teilchen. "Wir wollen uns Übergange in Atomen ansehen", so der Erstautor der Studie, Cornelius Hempel. Unter einem Übergang verstehen die Physiker die sprunghafte Veränderung des energetischen Zustandes eines an das jeweilige Atom gebundenen Elektrons.

Quantenlogik-Spektroskopie

Um solche Vorgänge auf atomarer Ebene zu messen, hat der Physik-Nobelpreisträger, David Wineland, die Methode der Quantenlogik-Spektroskopie entwickelt. "Dabei wird das Spektroskopie-Ion, bei dem man einen solchen Übergang messen möchte, zusammen mit einem weiteren geladenen Teilchen in dieselbe Ionenfalle gesperrt", erklärt Hempel. Die eigentliche Messung findet dabei an dem "Logik-Ion" genannten Hilfsteilchen statt.

Die Forscher machten sich daran, Winelands nur bei ganz bestimmten Übergängen funktionierenden Ansatz zu modifizieren. Es sollte möglich sein, alle Arten von Übergängen auch dann zu detektieren, wenn nur sehr wenige oder sogar nur einzelne Lichtteilchen dabei entstehen. Noch dazu sollte man damit auch verschiedene Atome und Moleküle untersuchen können.

Indirekte Beobachtung

Hempel, Christian Roos und Kollegen setzen darauf, einzelne Photonen mit einem Trick indirekt zu beobachten. "Man kann sich nämlich auch den Rückstoß der Teilchen anschauen", so der Physiker. "Wenn ein Atom ein Photon absorbiert, dann bekommt es den Impuls dieses Photons mit. Sendet es so ein Photon dann wieder aus, bekommt es wieder so einen leichten Stoß." Aufzeichnen konnte man das bisher aber nur in 1,6 Prozent der Fälle.

In der Studie untersuchten die Forscher das Kalzium-Isotop 44Ca+ mit Hilfe des leichter handhabbaren "Logik-Ions" 40Ca+. Mit einem Laserpuls brachten sie die beiden Teilchen in Schwingung. Es kommt dann zur Quantenverschränkung - eine Veränderung an einem hat dann auch Auswirkung auf das andere Teilchen und umgekehrt.

Das 40Ca+-Ion wird durch den Impuls in einen besonderen Quantenzustand, den "Schrödinger-Katzen-Zustand" gebracht. Hempel: "Der Laser versetzt das Ion in einer Art und Weise in Schwingung, die wie ein Pendel ist, das in der Falle in beide Richtungen gleichzeitig schwingt." Dieser Zustand ist extrem empfindlich und genau das nützen die Forscher.

Pendel-Störung

"Wenn jetzt ein Photon dem Nachbar-Ion einen kleinen Stoß gibt, dann wird auch das Pendel gestört. Die Schwingung verschiebt sich leicht und aus dieser Verschiebung entnehmen wir die Information über das Photon", erklärt der Physiker. Mit einem zweiten Laserpuls wird das Pendel anschließend zur Ruhe gebracht. Der innere Zustand, der "Spin", des "Logik-Ions" bleibt aber verändert und das können die Forscher sehr viel besser detektieren, als wenn sie versuchen würden, das Photon direkt zu messen.

"Mit unserer Methode bringen wir die Detektionswahrscheinlichkeit einzelner Photonen auf zwölf Prozent." Mit einem technisch optimierten Aufbau ließe sich die Empfindlichkeit noch wesentlich steigern. "Bis zu 60 Prozent wären möglich - eine unglaubliche Verstärkung", so Hempel. (APA, 13.7.2013)

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