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 Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt
26.09.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Internationales Forscherteam entdeckt kohärenten Lichtverstärkungsprozess in Laser-angeregtem Glas
25.09.2017 | Universität Kassel

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: Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt

Die Stromregelung ist eine der wichtigsten Komponenten moderner Elektronik, denn über schnell angesteuerte Elektronenströme werden Daten und Signale übertragen. Die Ansprüche an die Schnelligkeit der Datenübertragung wachsen dabei beständig. In eine ganz neue Dimension der schnellen Stromregelung sind nun Wissenschaftler der Lehrstühle für Laserphysik und Angewandte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vorgedrungen. Ihnen ist es gelungen, im „Wundermaterial“ Graphen Elektronenströme innerhalb von einer Femtosekunde in die gewünschte Richtung zu lenken – eine Femtosekunde entspricht dabei dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Der Trick: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Lichtpulses angetrieben. Damit können sie den Vorgang um mehr als das Tausendfache im...

Im Focus: The fastest light-driven current source

Controlling electronic current is essential to modern electronics, as data and signals are transferred by streams of electrons which are controlled at high speed. Demands on transmission speeds are also increasing as technology develops. Scientists from the Chair of Laser Physics and the Chair of Applied Physics at Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) have succeeded in switching on a current with a desired direction in graphene using a single laser pulse within a femtosecond ¬¬ – a femtosecond corresponds to the millionth part of a billionth of a second. This is more than a thousand times faster compared to the most efficient transistors today.

Graphene is up to the job

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Im Spannungsfeld von Biologie und Modellierung

26.09.2017 | Veranstaltungen

Archaeopteryx, Klimawandel und Zugvögel: Deutsche Ornithologen-Gesellschaft tagt an der Uni Halle

26.09.2017 | Veranstaltungen

Unsere Arbeitswelt von morgen – Polarisierendes Thema beim 7. Unternehmertag der HNEE

26.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Europas erste Testumgebung für selbstfahrende Züge entsteht im Burgenland

26.09.2017 | Verkehr Logistik

Nerven steuern die Bakterienbesiedlung des Körpers

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit künstlicher Intelligenz zum chemischen Fingerabdruck

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie