Stroboskop der Quantenphysiker – Resonator liefert kurze Lichtblitze für verschränkte Photonen

Physikern um Professor Harald Weinfurter von der LMU München und dem MPI für Quantenoptik haben nun im Rahmen des Exzellenzclusters „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe die für die Herstellung verschränkter Photonen nötigen ultrakurzen Lichtpulse mit sehr hoher Intensität und in schneller Folge erzeugt werden können. Neben dem Fernziel eines Quantencomputers eröffnen sich neue Möglichkeiten in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie etwa der optischen Spektroskopie. (Nature Photonics online, 31. Januar 2010)

„Spukhafte Fernwirkung“ nannte Einstein die rätselhafte Wechselwirkung verschränkter Photonen, bei der die Messung des Zustands eines Photons den Zustand des anderen Photons beeinflusst. Ein Ziel der Forscher ist deshalb, viele Photonen zu verschränken und zu untersuchen, was dabei passiert. Dabei geht es nicht nur um die Entwicklung eines Quantencomputers, sondern auch um ein besseres Verständnis der Quantenwelt und die Frage, wie sich die Verschränkung über größere Quantensysteme verteilt. Mehrere verschränkte Photonen können aber nur mit Hilfe ultrakurzer und leistungsstarker Lichtpulse erzeugt werden. Bislang konnten die dafür nötigen hohen Pulsenergien nicht erreicht werden; besonders wenn die einzelnen Lichtpulse stroboskopähnlich kurz, intensiv und genügend schnell hintereinander im ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden sollten.

Die Münchener Arbeitsgruppe übertrug nun erstmals eine Methode, die im infraroten Bereich des Lichtspektrums gut funktioniert, auf den energiereicheren ultravioletten (UV) Bereich. Sie setzen dafür einen Resonator ein, um UV-Lichtpulse von nur wenigen Femtosekunden (10-15 Sekunden) Dauer mit hoher Rate (82 MHz) hin und her zu jagen. Dabei addieren sich die Pulse fortlaufend, vorausgesetzt, jeder einfallende Lichtpuls überlagert sich exakt mit den bereits im Resonator umlaufenden Pulsen. Auf diese Weise entstehen ultrakurze Lichtpulse in schneller Folge. Diese Lichtpulse sind mehr als fünfmal stärker als solche, die durch vergleichbare kommerzielle Lasersysteme erzeugt werden können. Mit Hilfe der Lichtpulse wird dann im Resonator ein Kristall angeregt, der verschränkte Photonen aussendet.

Roland Krischek, der diese Resonanzkammer mit konstruiert und erprobt hat, sieht darin große Chancen: „Unser Lichtresonator gibt uns nun die Möglichkeit, die Verschränkung über größere Systeme genauer zu untersuchen“. Sein Kollege Witlef Wieczorek ergänzt: „Mit diesem Resonator kann man nicht nur verschränkte Photonen erzeugen, sondern auch Moleküleigenschaften oder den Ladungstransport in Halbleitern studieren.“ (MAP/suwe)

Publikation:
„Ultraviolet enhancement cavity for ultrafast nonlinear optics and high-rate multiphoton entanglement experiments“,
Roland Krischek, Witlef Wieczorek, Akira Ozawa, Nikolai Kiesel, Patrick Michelberger, Thomas Udem and Harald Weinfurter
Nature Photonics online, 31. Januar 2010
DOI: 10.1038/NPHOTON.2009.286
Ansprechpartner:
Professor Harald Weinfurter
Tel.: 089 / 2180 – 2044
Fax: 089 / 2180 – 5032
E-Mail: harald.weinfurter@physik.uni-muenchen.de