Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Photonen unter Kontrolle

28.10.2004


Max-Planck-Forscher haben wichtigen Baustein für Quantencomputer und abhörsicheres Quanteninternet geschaffen


Experimentelle Anordnung zur Einzelphotonerzeugung.
Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik



Einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching ist die Erzeugung einzelner Photonen mit bisher unerreichter Kontrolle gelungen (Nature, 28. Oktober 2004). Die Wissenschaftler verwendeten ein einzelnes Kalzium-Ion, das mit Hilfe einer Ionenfalle zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln lokalisiert war. Durch Einstrahlung externer Laserpulse wurde das System zur Aussendung einzelner Photonen veranlasst. Der Zeitpunkt der Emission und die Form des Photonenpulses können mit dieser Quelle optimal kontrolliert werden. Das Außergewöhnliche der Quelle ist deren permanente Betriebsdauer, die der Speicherzeit der Ionen von typischerweise mehreren Stunden entspricht. Für die Experimente gibt es wichtige Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Eine kontrollierte Quanten-Schnittstelle zwischen Atomen und Photonen ist der zentraler Baustein, um Operationen an atomaren Quantenzuständen mit dem optischen Quanteninformations-Austausch über längere Strecken zu verbinden. Damit ist eine entscheidende Voraussetzung für die Realisierung eines abhörsicheren Quanten-Internets erfüllt.

... mehr zu:
»Emission »Ion »Kazuhiro »Photon


2005 begeht man weltweit das hundertjährige Jubiläum der Entdeckung des Photoeffektes durch Albert Einstein. Durch diese Erkenntnis erfuhr die Quantenhypothese Max Plancks aus dem Jahre 1900 eine weitere entscheidende Stütze. Seine Quantenhypothese besagt, dass das Licht in einzelnen winzigen Paketen weitergegeben wird, deren Energie von der Farbe des Lichtes abhängt. Der Photoeffekt erlaubt, die mittlere Anzahl der Pakete bzw. Photonen einer Lichtquelle zu bestimmen. Bei Glühbirnen sind dies beispielsweise Milliarden von Milliarden von Photonen. Wegen der großen Anzahl fallen die Schwankungen durch die Partikelstruktur des Lichtes nicht auf. Bei geringen Lichtintensitäten, in Bereichen also, wo man es nur noch mit wenigen Photonen zu tun hat, ist die Schwankung des Photonenstromes jedoch entscheidend. Dabei zeigt sich, dass die Emission der Photonen durch Atome nicht kontrolliert werden kann und sozusagen dem Zufall überlassen ist - eine der Tatsachen der Quantenphysik, die Einstein nicht akzeptieren wollte und deshalb angenommen hat, die Theorie sei noch nicht vollständig. "Gott würfelt nicht" war seine Aussage.

Nunmehr ist es einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik tatsächlich gelungen, Emission von Photonen durch Atome zu kontrollieren. Darüber hinaus können sie auch die spektralen Eigenschaften der emittierten Photonen steuern. Die Forscher bedienen sich dazu einer laserähnlichen Quelle, bei der das aktive Lasermaterial aus einem einzelnen Ion besteht. Ein Ion deshalb, weil es aufgrund seiner Ladung in einer Falle festgehalten werden kann. Es befindet sich zwischen zwei Spiegeln, dem so genannten Resonator. Angeregt wird das Ion durch einen von der Seite kommenden Laserpuls. Die Emission eines Photons erfolgt gleichzeitig in Richtung der Spiegel. Die Dauer des Anregungspulses legt auch die spektralen Eigenschaften des Photons fest. Bei einem längeren Impuls ist die Frequenzverteilung schärfer, bei einem kürzeren entsprechend breiter.

Dank der vollständigen Kontrolle aller Parameter und der Optimierung der gesamten Anordnung haben Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange und Herbert Walther eine hochpräzise Ionenfallen-Spiegel-Kombination verwirklicht. In dieser wird beispielsweise ein einzelnes Ion mit einer Genauigkeit von nur wenigen Nanometern an seinem Ort festgehalten. Anwendung könnte dieser Ein-Ion/Ein-Photon-Laser in der optischen Kommunikation finden. Er erlaubt es, Übertragungsstrecken für Nachrichten zu realisieren, die völlig abhörsicher sind, und ist somit auch Basis eines abhörsicheren Quanteninternets.

Originalveröffentlichung:

Matthias Keller, Birgit Lange, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange & Herbert Walther
"Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system", Nature, 28 October 2004

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Herbert Walther
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: 089 32905-704, Fax: -314
E-Mail: herbert.walther@mpq.mpg.de

Dr. Matthias Keller
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: 089 32905-704, Fax: -314
E-Mail: Matthias.Keller@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Wolfgang Lange
University of Sussex, Brighton/Großbritannien
Tel.: +44 1273-873171, Fax: -677196
E-Mail: W.Lange@sussex.ac.uk

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Berichte zu: Emission Ion Kazuhiro Photon

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Extra-Sekunde zum neuen Jahr
08.12.2016 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops