Foto: Grafik des Laserexperimentes
Die Physiker können das System aus
Resonator und Atom so einstellen,
dass es den Testlaser nicht passieren lässt.
Der Kontrolllaser schaltet es transparent(b);
© MPI für Quantenoptik

Mit einem Laserstrahl steuern sie, ob ein Atom zwischen zwei Spiegeln den Photonenstrom eines zweiten Lasers passieren lässt. Sie nutzen dabei einen quantenmechanischen Interferenzeffekt namens elektromagnetisch induzierte Transparenz, kurz EIT. Bislang ließ sich dieser Effekt nur mit sehr vielen Atomen demonstrieren.

Licht lässt sich mit Licht nicht manipulieren. Atome müssen zwischen den Strahlen vermitteln. Nun haben Forscher aus der Gruppe von Gerhard Rempe mit einem Kontrolllaser gesteuert, ob Licht durch ein System aus einem einzigen Atom und einem Resonator, einem Hohlraum zwischen zwei reflektierenden Spiegeln, dringt.

Das Experiment starten die Forscher mit einem Testlaser, der sehr stark abschwächt ist. Dieses optische Rinnsal wird durch einen Spiegel in einen Resonator geschickt. Wenn die Wellenlänge auf den Hohlraum zwischen zwei Spiegeln abgestimmt ist, sammelt sich allmählich Licht in diesem.

Im Resonator wird der Photonenstrom hin und her reflektiert, bis sich ein Photonensee aufstaut. Durch den zweiten Spiegel tröpfelt ein Teil der Photonen dann wieder aus dem Resonator heraus. Bislang läuft der Versuch mit einem leeren Resonator, einen Lichtschalter gibt es damit noch nicht. Diese Funktion übernimmt ein Atom zwischen den Spiegeln. Die Wellenlänge des Testlasers wählten die Physiker so, dass sie exakt dem Energieunterschied zwischen zwei physikalischen Zuständen des Atoms entspricht. Das aber verändert die Resonanzbedingung für das System aus Atom und Resonator. Dies können die Forscher mit dem Kontrolllaser ändern. Er verändert das System so, dass der Testlaser wieder passieren kann. Die Wellenlänge des Kontrolllasers ist auf einen energetischen Übergang zwischen zwei Zuständen des Atoms abgestimmt. Die Wellenlängen beider Laser fallen mit Übergängen von zwei verschiedenen Zuständen in einen einzigen Zustand zusammen.

„Dabei handelt es sich um einen quantenmechanischen Interferenzeffekt", sagt Martin Mücke, der das Experiment vorgenommen hat: „Wir knipsen den angeregten Zustand quasi aus." Dann aber gibt es den Übergang nicht mehr. Der Testlaser erkennt das Atom nicht mehr, es wird durchsichtig für ihn. Das heißt: Der Kontrollstrahl wirkt wie ein Lichtschalter für den Testlaser und das ganze System wir zu einer Art Transistor.

„Mit unserem Experiment haben wir eine Grundlage geschaffen, um mit Quantensystemen Information zu verarbeiten", so Mücke. Auf diese Weise lassen sich etwa Daten verschlüsseln, in Quantensimulatoren die Eigenschaften von Materie untersuchen oder mit Quantencomputern möglicherweise auch Daten in bislang unvorstellbarer Geschwindigkeit berechnen.


COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Gesellschaft