Physiker haben ein einzigartiges Transmissionssystem für Photonen geschaffen

Wenn wir uns Laserlicht als einen Strom von Lichtteilchen, sogenannten Photonen, vorstellen, dann sind sie es vollständig

unabhängig voneinander und ihre genaue ZeitDie Anreise hängt vom Einzelfall ab. Insbesondere können zwei Photonen gleichzeitig den Empfänger erreichen. In vielen Situationen ist es jedoch wünschenswert, dass ein Photon nach dem anderen detektiert wird, das heißt, dass sich die Lichtteilchen wie eine Perlenkette aneinanderreihen.

Solche isolierten Photonen sind zum BeispielGrundvoraussetzung für ein Quantennetzwerk. Bisher fungierten einzelne Quantenemitter wie ein einzelnes Atom oder ein einzelnes Molekül normalerweise als Quellen für solche Ströme einzelner Photonen. Wenn ein Quantenemitter durch Laserlicht und Fluoreszenz angeregt wird, emittiert er immer genau ein Photon für jeden Quantensprung. Für diese Art von Quelle ist es immer noch eine Herausforderung, die emittierten Photonen effizient in die Glasfaser einzuspeisen, um so viele wie möglich an den Empfänger zu senden.

Dies gelang Physikern aus Deutschland, Dänemark und Österreicheine Art „Drehkreuz“ für Licht in Glasfasern schaffen, das Lichtteilchen jeweils nur einzeln passieren lässt. Der Vorschlag für das Experiment kam von den theoretischen Physikern Dr. Sahand Mahmoudian und Professor Clemens Hammerer von der Leibniz Universität Hannover sowie Kollegen von der Universität Kopenhagen. Das Experiment wurde mit Hilfe der Forschungsgruppe von Professor Dr. Arno Rauschenbeutel an der Humboldt-Universität zu Berlin durchgeführt. Zu diesem Zweck nutzten die Wissenschaftler eine leistungsstarke Atom-Licht-Schnittstelle, in der Atome neben einer optischen Nanofaser eingefangen werden und  verbunden mit Licht, das in der Nanofaser geführt wird.

Diese speziellen Glasfasern sind hundertmaldünner als ein menschliches Haar, und Atome werden in einem Abstand von 0,2 Mikrometern von der Oberfläche der Glasfaser gehalten. Gleichzeitig werden sie durch Laserlicht auf Temperaturen von einigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Mit diesem System konnten die Forscher die Anzahl der Atome entlang des Laserstrahls genau steuern. Während des Experiments analysierten die Forscher dann, wie oft die Photonen die Faser einzeln oder paarweise verlassen.

Als ungefähr 150 Atome ungefähr gefangen wurdenBei Nanofasern stellte sich heraus, dass das durchgelassene Licht praktisch nur aus isolierten Photonen bestand. Insgesamt wirkten die Atome also auf die Photonen wie ein Drehkreuz, das den Fluss der Menschen reguliert. Überraschenderweise war der Effekt umgekehrt, als die Anzahl der Atome erhöht wurde: Dann passierten die Atome Photonen, vorzugsweise paarweise.

Diese Entdeckung eröffnet einen ganz neuen WegErzeugen heller Einzelphotonenquellen mit eingebauter Faser. Gleichzeitig kann das von den Forschern demonstrierte Funktionsprinzip auf einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums (von Mikrowellen bis Röntgenstrahlen) angewendet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, einzelne Photonen in Spektralbereichen zu erzeugen, für die es noch keine Quellen gibt. Forscher haben bereits ein Patent für diese Technologie angemeldet.

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