Ein einzelnes Atom wird zum Lichtschalter

10. November 2013, 16:50
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Forscher von der TU Wien setzen Rubidiumatom als optischen Schalter ein, um Licht in herkömmlichen Glasfasern zu manipulieren

Physikern an der TU Wien ist es gelungen, einen optischen Schalter mit einem einzigen Atom zu bauen. Mit der Technik können über winzige Quantensysteme ganz alltägliche Glasfasern, wie sie heute für die Internet-Datenübertragung zum Einsatz kommen, miteinander verschaltet werden.

Arno Rauschenbeutel und seinem Team füllt Laserlicht in sogenannte "Flaschen-Resonatoren" – bauchig geformte Glasobjekte, an deren Oberfläche das Licht im Kreis läuft. Bringt man einen solchen Resonator in die Nähe einer lichtleitenden Glasfaser, dann koppeln die beiden Systeme aneinander und Licht kann von der Glasfaser in den Flaschen-Resonator wechseln.

"Wenn der Umfang des Resonators genau zur Wellenlänge des Lichts passt, kann man sogar erreichen, dass das gesamte Licht vom Glasfaserkabel in den Resonator übertritt – und von dort kann man es dann wiederum in eine zweite Glasfaser weiterleiten", sagt Rauschenbeutel.

Einzelnes Rubidiumatom wirkt als Schalter

Dieses Gesamtsystem aus Eingangsglasfaser, Flaschenresonator und Ausgangsglasfaser ist allerdings höchst empfindlich: "Wenn man nur ein einziges Rubidiumatom mit dem Resonator in Kontakt bringt, kann sich das Verhalten dramatisch ändern", erklärt Rauschenbeutel. Wenn das Licht genau auf das Atom abgestimmt ist, lässt sich sogar erreichen, dass das Licht gar nicht erst in den Flaschenresonator eindringt und in der ursprünglichen Glasfaser weiter wandert anstatt in die Ausgangsglasfaser überzuwechseln. Das Atom wirkt also als Schalter, der festlegt, in welcher Glasfaser das Licht geleitet wird.

In einem nächsten Schritt wollen die Physiker ausnutzen, dass das Rubidiumatom sich in unterschiedlichen Quantenzuständen befinden kann, wobei nur einer dieser Zustände mit dem Resonator wechselwirkt. Befindet sich das Atom im anderen Zustand verhält sich das Licht so, als wäre das Atom gar nicht da. Je nach Zustand des Atoms wird das Licht also entweder in das eine oder in das andere Glasfaserkabel geschickt.

Gleichzeitig "Licht" und "kein Licht"

Nun kann man sich eine bemerkenswerten Eigenschaften der Quantenphysik zu Nutze machen: "In der Quantenphysik ist es möglich, dass Objekte verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen", sagt Arno Rauschenbeutel. Man kann also das Atom so präparieren, dass es sich gleichzeitig in beiden Schaltzuständen befindet. Dementsprechend liegen in jedem der beiden Glasfaserkabel auch die Zustände "Licht" und "kein Licht" gleichzeitig vor.

Was für den klassischen Lichtschalter zu Hause völlig undenkbar wäre, ist für einen "Quanten-Lichtschalter" also kein Problem. "Spannend ist es nun, zu überprüfen, ob solche Überlagerungen auch mir stärkeren Lichtpulsen möglich sind – irgendwo müssen wir hier auf einen Übergang zwischen Quantenphysik und klassischer Physik stoßen", meint Rauschenbeutel.

Mächtiges neues Werkzeug

Für Quanteninformation und Quantenkommunikation ist der optische Schalter ein sehr mächtiges neues Werkzeug. "Wir planen, ganz gezielt Quanten-Verschränkungen zwischen Licht und Materie herstellen", sagt Rauschenbeutel, "und das nicht mit einem exotischen Gerät, das es nur im Labor gibt, sondern mit ganz normalen Glasfasern, wie sie schon heute für die Kommunikation verwendet werden." (red, derstandard.at, 10.11.2013)


Abstract
Physical Review Letters: Fiber-Optical Switch Controlled by a Single Atom

  • Physiker der TU Wien füllen Licht in eine bauchige "Flasche", an der es im Kreis läuft. Mit einem einzelnen Atom lässt sich steuern, ob das Licht aus einer Glasfaser in den Flaschenresonator eindringt oder weiter wandert.
    illu.: tu wien

    Physiker der TU Wien füllen Licht in eine bauchige "Flasche", an der es im Kreis läuft. Mit einem einzelnen Atom lässt sich steuern, ob das Licht aus einer Glasfaser in den Flaschenresonator eindringt oder weiter wandert.

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