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SYMPOSION "100 JAHRE QUANTENPHYSIK" DER DEUTSCHEN PHYSIKALISCHEN GESELLSCHAFT IN BERLIN

Gerichtete Lichtteilchen

Photonen aus dem Nichts / Hohlraum für stehende Wellen

Von Rainer Scharf

Obwohl das Licht intensiv erforscht worden ist, bleibt es rätselhaft und flüchtig. Zwar weiß man, daß ein angeregtes Atom das Licht portionsweise in Form von Photonen abstrahlt. Es hängt indes weitgehend vom Zufall ab, wann ein einzelnes Photon abgegeben wird und in welche Richtung es davonfliegt. Die Emission erfolgt normalerweise spontan und unvorhersehbar. Doch mittlerweile können die Atomphysiker einzelnen Atomen und Photonen ihren Willen aufzwingen, so daß sie sich in gewünschter Weise verhalten. Jetzt haben deutsche Forscher Atome dazu gebracht, Photonen in eine bestimmte Richtung abzustrahlen.

Eine Gruppe um Gerhard Rempe und Axel Kuhn vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat Rubidiumatome so präpariert, daß sie die Photonen nicht spontan emittieren, sondern auf kontrollierte Weise. Wie Rempe auf der Jubiläumsveranstaltung "100 Jahre Quantentheorie" in Berlin berichtete, gehen die Atome dabei nicht abrupt von einem Zustand in einen anderen über, sondern adiabatisch, das heißt ganz allmählich ("Physical Review Letters", Bd. 85, S. 4872). Die Forscher ließen die Atome zwischen zwei senkrechten, einander gegenüberstehenden Spiegeln herabrieseln. Der Hohlraum zwischen den Spiegeln hatte die Form eines liegenden Zylinders und konnte eine stehende Lichtwelle aufnehmen, deren Photonen eine ganz bestimmte Wellenlänge und Bewegungsrichtung besaßen.

Je mehr sich die herabfallenden Atome der Achse des zunächst noch photonenfreien Hohlraums näherten, desto stärker "spürten" sie, welche Art von Photonen er aufnehmen konnte, und desto mehr stellten sie ihren quantenmechanischen Zustand auf ihre Umgebung ein. Die "Hohlraum-Photonen" konnten indes nur entstehen, wenn von außen Energie zugeführt wurde. Deshalb ließen die Forscher einen Laserstrahl von der Seite her durch den Hohlraum laufen, und zwar knapp unter dessen Achse. Der Strahl traf die Atome demnach zu einem Zeitpunkt, als die Wirkung des Hohlraums auf sie schon wieder nachließ. Zwar konnte der Laserstrahl auf direktem Wege weder Hohlraum-Photonen erzeugen noch die Atome anregen. Doch seine Wellenlänge und die der Hohlraum-Photonen waren so aufeinander abgestimmt, daß sowohl der Hohlraum als auch die Atome den Einfluß des Lasers spürten. Als die Atome mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Metern in der Sekunde durch den Hohlraum und durch den Laserstrahl fielen, hatten sie ausreichend Zeit, ihren Quantenzustand den äußeren Gegebenheiten anzupassen. Sie machten einen adiabatischen Übergang. Dadurch bedingt änderte auch der Hohlraum seinen Zustand, und jedesmal, wenn ein Atom durch ihn hindurchfiel, entstand gleichsam aus dem Nichts ein Photon.

Die Wissenschaftler hatten einen der beiden Spiegel teildurchlässig gemacht, so daß die Photonen nach und nach in horizontaler Richtung entweichen konnten und sich ihre Eigenschaften bestimmen ließen. Wie die Messungen zeigten, bewegten sich alle Photonen im Hohlraum parallel zu dessen Achse zwischen den Spiegeln hin und her. Die Wissenschaftler bereiten zur Zeit ein Experiment vor, bei dem zu einem gewünschten Zeitpunkt ein einzelnes Atom im Hohlraum einem Laserpuls ausgesetzt wird. So ließe sich auf Knopfdruck ein Photon mit den benötigten Eigenschaften erzeugen.

Berechnungen zeigen, daß man mit den auf diese Weise erzeugten Photonen Quanteninformationen übertragen kann. Dazu präpariert man ein Rubidiumatom so, daß es sich in einer bestimmten Überlagerung zweier Quantenzustände befindet, die die Quanteninformation repräsentiert. Wenn das Atom im Hohlraum vom Laserstrahl getroffen wird, gibt es ein Photon ab, das sich ebenfalls in einem bestimmten Überlagerungszustand befindet. Verläßt dieses Photon den Hohlraum und trifft dann in einiger Entfernung auf ein anderes Rubidiumatom, so kann es von diesem absorbiert werden. Dabei regt es das Atom an und bringt es in denselben quantenmechanischen Überlagerungszustand, in dem sich das erste Atom befunden hatte. Damit ist die Übertragung der Quanteninformation abgeschlossen. Das Experiment der Garchinger Forscher zeigt nicht nur, wie wundersam die Natur des Lichtes ist, sondern auch, welche erstaunlichen Dinge man in Zukunft mit Licht wird machen können. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.12.2000, Nr. 296 / Seite N3

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