Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Staus auf den Datenautobahnen des Internets: Lässt sich das verhindern?

11.05.2016

Deutsches Physikerteam der Universität in Bremen, Dortmund, Magdeburg und Würzburg erforscht die Clusterbildung von Photonen. Über die Forschungsergebnisse berichtet jetzt die international sehr renommierten Zeitschrift „Nature Communications“.

Jeder, der schon mal auf der Autobahn im Stau stand, kennt das Phänomen der Clusterbildung. Wenn nur genügend Autos unterwegs sind, und diese mit statistisch zufällig verteilten Geschwindigkeiten fahren, dann ist es wahrscheinlicher, dass sich Gruppen von Autos bilden, die sich gegenseitig ausbremsen.


Teile des experimentellen Aufbaus zur Vermessung der Nanolaser

Foto: Prof. Manfred Bayer, TU Dortmund

Damit die Autos genügend weit voneinander entfernt und gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit fahren, müssten sie aufeinander reagieren oder, wie Physiker sagen, in Wechselwirkung treten. Nicht unähnlich könnte es in Zukunft den Photonen (Teilchen, aus denen Lichtstrahlen bestehen) auf den Datenautobahnen des Internets ergehen. Schon heute wird ein großer Teil der Datenübertragung über Glasfaserkabel abgewickelt.

Hierin sind Lichtpulse unterwegs, die durch Halbleiterlaser an den Verbindungsstellen erzeugt werden. Jeder einzelne Lichtpuls enthält viele Tausende von Photonen, deren Ankunft beim Empfänger jeweils ein Datenbit signalisieren.

Davon wird in jedem Gigabit-Netzwerk eine Milliarde pro Sekunde übertragen. Schon aus Gründen der Energieeinsparung in einem rasant wachsenden Internet wird man die Zahl der Photonen in einem Signalpuls immer mehr reduzieren müssen, denn für jedes erzeugte Photon muss eine bestimmte Energiemenge aufgewendet werden.

Schon seit einigen Jahren können Physiker Lichtquellen bauen, bei denen die Lichtpulse nur noch aus wenigen, im Extremfall nur noch aus einzelnen Photonen bestehen. Dies ermöglicht nicht nur große Energieeinsparungen, sondern mit einzelnen Photonen sind auch abhör- und manipulierungsgeschützte Datenübertragungen möglich. Hierzu entwickelt sich gerade ein neues interdisziplinäres Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung.

Photonen und Autofahrer mit durchgetretenem Gaspedal haben allerdings eine wichtige Gemeinsamkeit, sie wechselwirken nicht mit ihresgleichen. Photonen tragen damit eine ganz charakteristische Signatur ihres Erzeugungsprozesses.

Physiker aus Dortmund um Professor Manfred Bayer können in ihren Experimenten die in Lichtpulsen auftretenden einzelnen Photonen sichtbar machen, ähnlich den einzelnen Autos im Verkehrsstrom einer Straße. Dabei verwenden sie spezielle Nanolaser, die an der Universität Würzburg in einem Team um Professor Sven Höfling hergestellt werden. Das Besondere an diesen Nanolasern ist, dass ihre Lichtpulse nur wenige Photonen enthalten.

Theoretische Physiker um Professor Frank Jahnke an der Universität Bremen und Professor Jan Wiersig an der Universität Magdeburg konnten zeigen, dass die Photonen eines Nanolasers, den man auf ganz schwache Lichtleistung einstellt, sich so verhalten, wie die Autos auf der vollen Autobahn. Sie zeigen eine charakteristische Clusterbildung: kommt ein Photon, dann gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass gleich noch ein zweites oder weitere unmittelbar danach folgen.

Wird die Ausgangslichtleistung erhöht, dann entstehen zwar mehr Photonen, sie halten jedoch mehr Abstand. Und genau dies zeigen auch die Experimente in Dortmund. Umso bemerkenswerter ist das final gefundene Ergebnis. Eine Verabredung der Quellen (Atome oder Nanoemitter), welche die einzelnen Photonen aussenden, stellt eine äußerst selten anzutreffende Situation dar, die von Physikern als Superradianz bezeichnet wird.

Im Falle von Superradianz, der in den Nanolasern aus Würzburg gefunden wurde, zeigen die Photonen eine Bildung von Super-Clustern. Während so etwas auf der Autobahn den Verkehr total zum Erliegen bringt, rasen die Photonen weiter mit Lichtgeschwindigkeit durch die Glasfasern, allerdings in Verbünden mit ganz charakteristischen Korrelationen. Und gerade mit Korrelationen zwischen Photonen könnte man in Zukunft viel effizienter Informationen im Internet übertragen, statt mit der bisherigen Methode, in der ein ganzer Lichtpuls nur ein einzelnes Bit darstellt.

Die Ergebnisse der Kooperation zwischen den Wissenschaftlern der vier Universitäten Bremen, Dortmund, Magdeburg und Würzburg sind am 10. Mai 2016 in der international sehr renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlich worden. Der Artikel wird im Verfahren ohne Zugangsbeschränkungen (Open Access) im Internet frei zugänglich veröffentlicht unter: http://www.nature.com/ncomms/2016/160510/ncomms11540/full/ncomms11540.html

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Institut für Theoretische Physik
Prof. Dr. Frank Jahnke
Tel. 0421-218 62050
E-Mail: jahnke@itp.uni-bremen.de

TU Dortmund
Prof. Dr. Manfred Bayer
E-Mail: manfred.bayer@tu-dortmund.de

Eberhard Scholz | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-bremen.de

Weitere Berichte zu: Autobahn Geschwindigkeit Glasfaserkabel Lichtpuls Photon Photonen Phänomen Superradianz

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Komfortable Software für die Genomanalyse
16.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

nachricht Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung
16.08.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie