Stroboskop der Quantenphysiker: Resonator liefert kurze Lichtblitze für Verschränkung

Innerhalb der vier Resonatorspiegel überhöhen sich die ultravioletten Lichtpulse fortlaufend. Die verschränkten Photonen werden von einem Kristall, der sich im schwarzen Gehäuse befindet (mit blauen Schläuchen verbunden), erzeugt. Bild: Thorsten Naeser

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer ist die Erzeugung und Untersuchung von Systemen aus mehreren verschränkten Quanten. Photonen, die Teilchen des Lichts, eigenen sich sehr gut um solche Quantensysteme herzustellen.

Physikern um Prof. Harald Weinfurter (Ludwig-Maximilians-Universität, Max-Planck-Institut für Quantenoptik) ist es nun im Rahmen des Exzellenzclusters "Munich-Centre for Advanced Photonics" (MAP) gelungen, eine neue Methode zu entwickeln, die für die Herstellung verschränkter Photonen nötigen ultrakurzen Lichtpulse mit sehr hoher Intensität und in schneller Folge zu erzeugen. Ganz neue Anwendungsfelder rücken damit ins Blickfeld der Quantenphysiker.

Das Ziel der Forscher ist es, viele Photonen zu verschränken und zu verstehen, was dabei passiert. Dabei fasziniert die von Einstein sogenannte "spukhafte Fernwirkung" zwischen verschränkten Photonen die Quantenphysiker noch heute. Ihnen schwebt nicht nur der Quantencomputer vor, vielmehr versuchen sie, tiefer in die Welt der Quanten einzutauchen und zu untersuchen, wie sich die Verschränkung über grössere Quantensysteme verteilt. Um mehrere verschränkte Photonen auf einmal zu erzeugen, braucht es ultrakurze Lichtpulse von hoher Leistung. Das große Hindernis war bisher, dass die dazu nötigen hohen Pulsenergien nicht erreicht werden konnten; zumindest dann nicht, wenn die einzelnen Lichtpulse stroboskopähnlich kurz, intensiv und genügend schnell hintereinander im Ultravioletten erzeugt werden sollten.

Die Münchener Arbeitsgruppe übertrug erstmals eine Methode, die im infraroten Bereich des Lichtspektrums gut funktioniert, auf den energiereicheren ultravioletten (UV) Bereich. Sie setzen dazu einen Resonator ein, um UV Lichtpulse von nur wenigen Femtosekunden (10-15 Sekunden) Dauer mit hoher Rate (82 MHz) hin und her zu jagen. Dabei addieren sich die Pulse fortlaufend, vorausgesetzt, jeder einfallende Lichtpuls überlagert sich exakt mit den bereits im Resonator umlaufenden Pulsen. Auf diese Weise entstehen ultrakurze Lichtpulse in schneller Folge. Diese Lichtpulse sind mehr als fünfmal stärker als solche, die durch vergleichbare kommerzielle Lasersysteme erzeugt werden können. Mit Hilfe der Lichtpulse regen die Wissenschaftler dann einen Kristall an, der verschränkte Photonen aussendet. Roland Krischek, der diese Resonanzkammer mit konstruiert und erprobt hat, sieht darin große Chancen: "Unser Lichtresonator gibt uns nun die Möglichkeit, die Verschränkung über größere Systeme genauer zu untersuchen". Sein Kollege Witlef Wieczorek ergänzt: "Mit diesem Resonator kann man nicht nur verschränkte Photonen erzeugen, sondern auch Moleküleigenschaften oder den Ladungstransport in Halbleitern studieren."

Quelle: Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP)