Neue Erkenntnisse zur Lichtstreuung von Atomen

Forscher um Jürgen Volz und Arno Rauschenbeutel vom Fachbereich Physik der Humboldt-Universität zu Berlin, Partner des DAALI-Projekts, haben neue Erkenntnisse über die Lichtstreuung an einem fluoreszierenden Atom gewonnen, die auch für die Quantenkommunikation nützlich sein könnten. Das Forschungsteam hat jetzt veröffentlicht ihre Ergebnisse im Tagebuch Naturphotonik.

Im Jahr 1900 formulierte Max Planck die Hypothese, dass Licht mit Materie, etwa einem Atom, keine beliebigen Energiemengen austauschen kann, sondern nur bestimmte diskrete „Energiepakete“, sogenannte Quanten. Fünf Jahre später schlug Albert Einstein dann vor, dass diese Quanten keine bloße Rechengröße seien, sondern dass Licht selbst aus Quanten bestünde, die wir heute Photonen nennen.

Tatsächlich gibt es heutzutage Fotodioden, die empfindlich genug sind, um ein einzelnes Photon zu registrieren. Diese erzeugen bei kontinuierlicher Beleuchtung kein gleichmäßiges elektrisches Signal, sondern eine Reihe kurzer Stromimpulse. Jeder Stromimpuls zeigt dann die Detektion eines einzelnen Photons an.

Unter der Lupe: Streuung von Laserlicht

Trifft das Licht eines einzelnen Atoms, das von einem Laserstrahl zur Fluoreszenz angeregt wird, auf eine so hochempfindliche Fotodiode, werden nie zwei Photonen gleichzeitig erfasst. In dieser Hinsicht unterscheidet sich das Fluoreszenzlicht eines einzelnen Atoms vom Laserlicht, mit dem es angeregt wird, da im Laserlicht tatsächlich Photonen gleichzeitig auftreten.

Wenn jedoch zwei Laserphotonen gleichzeitig auf ein einzelnes Atom treffen, absorbiert das Atom nur ein Photon und lässt das zweite passieren. Anschließend strahlt das Atom das absorbierte Laserphoton in eine zufällige Richtung ab und ist erst dann bereit, ein weiteres Laserphoton zu absorbieren.

Mit anderen Worten: Ein einzelnes Atom kann jeweils nur ein Photon streuen, und die Photonen im Fluoreszenzlicht eines einzelnen Atoms treffen auf den Detektor, als wären sie wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht. Diese Eigenschaft wird im Rahmen des DAALI-Projekts und anderer Forschungen zu Quantentechnologien genutzt. Beispielsweise werden in der Quantenkommunikation einzelne Photonen, die von natürlichen oder künstlichen Atomen emittiert werden, zur abhörsicheren Kommunikation genutzt.

Durch den Filter: Aus einzelnen Photonen werden Paare

Doch nun konnte das Forscherteam der Humboldt-Universität anhand des Fluoreszenzlichts eines einzelnen Atoms einen überraschenden Effekt nachweisen. Als die Forscher mit Hilfe eines Filters eine bestimmte Farbkomponente aus dem Licht entfernten, verwandelte sich der einzelne Photonenstrom in Photonenpaare, die gleichzeitig detektiert wurden.

Wenn man also die richtigen aus einem Strom einzelner Photonen entfernt, erscheinen die verbleibenden Photonen plötzlich als Paare. Dieser Effekt ist mit der Wahrnehmung unserer Alltagswelt nicht vereinbar; Wenn man alle grünen Autos von einer Straße verbannt, fahren die übrigen nicht plötzlich paarweise nebeneinander. Darüber hinaus scheint auch die frühere Gewissheit widerlegt zu sein, dass ein einzelnes Atom jeweils nur ein Photon streuen kann: Betrachtet man es durch den richtigen Farbfilter, ist das Atom durchaus in der Lage, zwei Photonen gleichzeitig zu streuen.

Dieser Effekt wurde vor etwa 40 Jahren von Jean Dalibard und Serge Reynaud an der ENS Paris in ihrer theoretischen Arbeit über die Lichtstreuung durch Atome vorhergesagt. Allerdings konnte es das Team um die Quantenphysiker Volz und Rauschenbeutel erst jetzt experimentell nachweisen.

„Das ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie sehr unsere Intuition uns im Stich lässt, wenn wir versuchen, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie Prozesse auf mikroskopischer Ebene ablaufen“, sagt Volz.

„Das ist jedoch weit mehr als nur eine Kuriosität“, fügt Rauschenbeutel hinzu. „Tatsächlich sind die erzeugten Photonenpaare quantenmechanisch verschränkt. Es gibt also die gruselige Aktion in einem Abstand zwischen den beiden Photonen, an die Einstein nicht glauben wollte und dank der man beispielsweise Quantenzustände teleportieren kann.“

„Dass ein einzelnes Atom als Quelle für solche verschränkten Photonenpaare ideal geeignet ist“, sind sich Volz und Rauschenbeutel einig, „hätte bis vor Kurzem kaum jemand geglaubt.“

Tatsächlich eignet sich der nachgewiesene Effekt zur Realisierung von Quellen verschränkter Photonenpaare, deren Helligkeit das theoretisch mögliche Maximum erreicht und damit bestehende Quellen übertrifft. Darüber hinaus stimmen die Photonenpaare von Natur aus mit den Atomen überein, von denen sie emittiert wurden. Dadurch ist es möglich, die Photonen direkt mit Quantenrepeatern oder Quantengattern zu verbinden, die dieselben Atome verwenden und für die Quantenkommunikation über große Entfernungen erforderlich sind.