Meilenstein in der Quantenphysik

Aufbau des Experiments: Die Rb-87-Atome werden zunächst vorgekühlt und dann in den Hauptversuchsbereich transportiert, bei dem es sich um eine maßgeschneiderte Vakuumkammer handelt. Dort werden sie auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin abgekühlt.
Foto/©: Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrick Windpassinger

Mainzer Physikern gelingt der kontrollierte Transport von gespeichertem Licht.

Patrick Windpassinger und sein Team demonstrieren, wie sich in einer Wolke aus ultrakalten Atomen gespeichertes Licht über ein „optisches Förderband“ transportieren lässt

Physikern um Prof. Dr. Patrick Windpassinger von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, Licht in einem Quantenspeicher über eine Strecke von 1,2 Millimeter kontrolliert zu transportieren, wobei der Transportprozess und seine Dynamik erfreulich geringe Auswirkungen auf die Eigenschaften des gespeicherten Lichts hatten. Als Speichermedium für das Licht dienten ultrakalte Rubidium-87-Atome, mit denen sich eine hohe Speichereffizienz und -dauer erreichen lassen.

„Wir haben Licht gespeichert, wenn Sie so wollen, in einen Koffer eingesperrt, nur dass der Koffer aus einer Wolke aus kalten Atomen besteht. Diesen Koffer haben wir ein Stückchen weit transportiert und dann das Licht wieder rausgeholt. Das ist im Allgemeinen und im Zusammenhang mit Quantenkommunikation höchst interessant, denn Licht lässt sich nicht besonders leicht ‚einfangen‘, und wenn man es dann auch noch kontrolliert woanders hin transportieren will, geht es in der Regel verloren“, veranschaulicht Windpassinger den komplizierten Prozess.

Die kontrollierte Manipulation, die Speicherung sowie die Möglichkeit zum Abruf von Quanteninformationen sind eine wesentliche Basis, um in der Quantenkommunikation Fortschritte zu erzielen und entsprechende Rechenoperationen in der Quantenwelt durchführen zu können. Optische Quantenspeicher, die das Speichern und Abrufen von durch Licht übertragenen Quanteninformationen bei Bedarf ermöglichen, sind für skalierbare Quantenkommunikationsnetzwerke unerlässlich, beispielsweise als wichtige Bausteine in Quantenrepeatern oder als Werkzeuge für das lineare Quantencomputing. Ensembles von Atomen haben sich in diesem Zusammenhang in den letzten Jahrzehnten als sehr gute Medien für die Speicherung und Wiederauslese von optischen Quanteninformationen erwiesen: Basierend auf der sogenannten elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) werden einfallende Lichtimpulse eingefangen und kohärent in eine kollektive Anregung der Atome abgebildet. Da der Prozess weitgehend umkehrbar ist, kann das Licht anschließend wieder mit hoher Effizienz ausgelesen werden.

Zukunftsvision: Ein „Rennbahn“-Speicher für Licht

Patrick Windpassinger und seine Kollegen zeigen nun darauf aufbauend in ihrer Veröffentlichung den aktiv kontrollierten Transport dieses gespeicherten Lichts über Entfernungen, die größer sind als die Größe des Speichermediums: Vor einiger Zeit haben sie eine Technik entwickelt, mit deren Hilfe Ensembles kalter Atome auf einem „optischen Förderband“, erzeugt aus zwei Laserstrahlen, „fahren“ können. Der Vorteil dieser Methode ist, dass relativ viele Atome mit großer Genauigkeit transportiert und positioniert werden können ohne einen nennenswerten Verlust an Atomen, und ohne dass die Atome versehentlich erhitzt werden. Den Physikern ist es mittels dieser Methode jetzt gelungen, als Lichtspeicher fungierende Atomwolken zu transportieren, die gespeicherte Information kann dann an anderer Stelle wieder abgerufen werden.

Eine Erweiterung des vorgestellten Konzepts könnte es in der Zukunft ermöglichen, neuartige Quantengeräte zu entwickeln, wie etwa einen „Rennbahn“-Speicher für Licht mit verschiedenen Lese- und Schreibabschnitten.

Bildmaterial:
http://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_gespeichertes_licht.jpg
Aufbau des Experiments: Die Rb-87-Atome werden zunächst vorgekühlt und dann in den Hauptversuchsbereich transportiert, bei dem es sich um eine maßgeschneiderte Vakuumkammer handelt. Dort werden sie auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin abgekühlt.
Foto/©: Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrick Windpassinger

Weiterführende Links:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/piuz.201970106 – Maria Langbecker & Patrick Windpassinger, Kalte Atome auf einem optischen Förderband, Physik in unserer Zeit 50:1, 10-11 (2019) ;
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aad9bb – Maria Langbecker, Ronja Wirtz, Fabian Knoch, Mohammad Noaman, Thomas Speck, Patrick Windpassinger, Highly controlled optical transport of cold atoms into a hollow-core fiber, New Journal of Physics 20, 083038 (2018)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Patrick Windpassinger
Forschungsgruppe QOQI – Quantenoptik und Quanteninformation
Arbeitsgruppe QUANTUM
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: +49 6131 39-20202
E-Mail: windpass@uni-mainz.de
https://www.qoqi.physik.uni-mainz.de/

Originalpublikation:

W. Li, P. Islam, P. Windpassinger, Controlled transport of stored light, Physical Review Letters 125, 150501, 8. Oktober 2020,
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150501

https://www.uni-mainz.de/

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Kathrin Voigt Kommunikation und Presse
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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