Physiker haben zum ersten Mal mit „Quantenlicht“ gespielt, in einem gewaltigen Durchbruch: ScienceAlert

Erstmals ist es einem internationalen Team von Physikern gelungen, eine kleine Anzahl von Lichtteilchen – sogenannte Photonen – zu manipulieren, die eine starke Beziehung zueinander haben.

Das mag ein wenig vage klingen, aber ich bin esEs ist ein grundlegender Durchbruch im Quantenbereich, der zu einer Technologie führen könnte, von der wir derzeit nicht einmal träumen können. Stellen Sie sich Laser, aber mit Quantenempfindlichkeit, für die medizinische Bildgebung vor.

„Dies öffnet die Tür für die Manipulation von dem, was wir ‚Quantenlicht‘ nennen könnten“, sagt der Physiker Sahand Mahmoudian von der Universität Sydney.

„Diese Grundlagenforschung ebnet den Weg für Fortschritte bei quantengestützten Messtechniken und photonischen Quantencomputern.“

Während Physiker die Kontrolle über verschränkte Quantenatome perfektionieren, erweist es sich als schwieriger, dasselbe mit Licht zu erreichen.

In diesem neuen Experiment schoss ein Team der Universität Sydney und der Universität Basel in der Schweiz ein einzelnes Photon und ein gebundenes Photonenpaar Quantenpunkt (künstliches Atom) und kann die Zeitverzögerung zwischen einem einzelnen Photon und seinem zugehörigen Photon direkt messen.

„Das von uns gebaute Gerät verursachte so starke Wechselwirkungen zwischen den Photonen, dass wir den Unterschied zwischen einem Photon, das damit interagiert, im Vergleich zu zwei Photonen beobachten konnten.“ sagt die Physikerin Natasha TomCo-Erstautor, Universität Basel.

„Uns ist aufgefallen, dass ein Photon im Vergleich zu zwei Photonen länger verzögert wird. Durch diese starke Photon-Photon-Wechselwirkung verschränken sich die beiden Photonen in Form eines sogenannten Zwei-Photonen-Korrelationszustands.“

Sie richten diesen Bindungszustand mit ein induzierte Emission – ein 1916 erstmals von Albert Einstein beschriebenes Phänomen, das die Grundlage moderner Laser bildet. (Fun Fact: Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.)

im Inneren des Lasers Eine elektrische Strom- oder Lichtquelle wird z Rauschen von Elektronen innerhalb von Atomen eines optischen Materials wie Glas oder Kristall.

Diese Erregung stößt auf Elektronen in der Umlaufbahn im Atomkern. Wenn es in seinen normalen Zustand zurückkehrt, gibt es Energie in Form von Photonen ab. Dies sind „stimulierte“ Emissionen und dieser Prozess bedeutet, dass alle resultierenden Bilder identische Wellenlängen haben, im Gegensatz zu normalem weißem Licht, das eine Mischung aus verschiedenen Frequenzen (Farben) ist.

Der Spiegel wird dann verwendet, um die alten und neuen Photonen zurück zu den Atomen zu werfen, um die Produktion von mehr identischen Photonen auszulösen.

Diese Photonen bewegen sich im Einklang, bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit und Richtung und sammeln sich an, bis sie schließlich die Spiegel und das optische Medium überwinden und explosionsfrei zu einem perfekt synchronisierten Lichtstrahl werden, der über große Entfernungen scharf fokussiert bleiben kann.

Alles geschieht in Millisekunden, wenn Sie den Knopf auf Ihrem Laserpointer drücken (danke, Einstein).

Diese faszinierende Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist die Grundlage für alle möglichen erstaunlichen Technologien wie das Global Positioning System (GPS), Computer, medizinische Bildgebung und globale Kommunikationsnetze. Auch LIGO, das Laser Gravitational-Wave Observatory, das 2015 erstmals Gravitationswellen entdeckte, setzt auf Laser.

Aber all diese Technologie erfordert immer noch eine große Anzahl von Photonen, was ihre Empfindlichkeit einschränkt.

Der neue Durchbruch hat nun die stimulierte Emission und den Nachweis einzelner Photonen sowie kleiner Gruppen von Photonen von einem einzelnen Atom erreicht, wodurch sie stark korreliert werden – mit anderen Worten „Quantenlicht“. Und das ist ein großer Schritt nach vorn.

„Indem wir unsere Fähigkeit demonstriert haben, Zustände zu identifizieren und zu manipulieren, die mit einem Photon verbunden sind, haben wir einen wichtigen ersten Schritt zur Nutzbarmachung von Quantenlicht für den praktischen Einsatz gemacht“, Sagt Mahmud.

Nächste Schritte, Sie erklärteist es, mit dem Ansatz Lichtzustände zu erzeugen, die Quantencomputer besser machen könnten.

„Dieses Experiment ist wunderschön, nicht nur, weil es einen grundlegenden Effekt – katalytische Emissionen – an seiner letzten Grenze beweist, sondern es stellt auch einen großen technologischen Schritt in Richtung fortgeschrittener Anwendungen dar“, Tom fügt hinzu.

„Wir können die gleichen Prinzipien anwenden, um effizientere Geräte zu entwickeln, die uns photonenähnliche Zustände liefern. Dies ist sehr vielversprechend für Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen: von der Biologie über die fortschrittliche Fertigung bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung.“

Forschung veröffentlicht in Natur Physik.