Helikopter-Lichtstrahlen für den Quantencomputer

Experimente auf Atom-Ebene bringen neue Erkenntnisse, die in der Entwicklung des Quantencomputers münden sollen. Der Schlüssel dazu liegt in der Kopplung von Licht und Materie.

Einem Wiener Forschungsteam gelang ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer: die Speicherung von Lichtstrahlen. Die Forscher verwenden dazu ein longitudinal schwingendes Licht. Es unterscheidet sich von normalem Licht in der Ausbreitung seiner Strahlungswellen. Um es zu erzeugen, werden zuerst Laserstrahlen in eine Glasfaser geleitet – allerdings nicht so, dass sie sich entlang der Glasfaser ausbreiten, sondern so, dass sie an einer flaschenartig bauchigen Stelle um die Glasfaser herum im Kreis laufen. Etwa zehn Nanosekunden oder 30.000 Umläufe lang kann Licht auf diese Weise aufbewahrt werden. Das ist lange genug, um es mit Atomen wechselwirken zu lassen, die sich in unmittelbarer Nähe der Glasfaser befinden.

„Licht, das in unserem Mikroresonator eingesperrt ist, hat eine longitudinale Schwingungskomponente, also in Ausbreitungsrichtung. Die Lichtwelle verhält sich dann so wie der Rotor eines vorwärts fliegenden Helikopters“, sagt Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der Technischen Universität Wien. Ein Punkt auf dem Helikopter-Rotor bewegt sich auf einer komplizierten geometrischen Bahn fort – einer sogenannten Zykloide. „Dass Licht auch longitudinal schwingen kann, ist zwar grundsätzlich nichts fundamental Neues. Aber im Zusammenhang mit der Kopplung von Licht und Materie in Mikroresonatoren hatte das bisher noch niemand bedacht“, so Rauschenbeutel.

Die Kopplung erfolgt zwischen dem Licht in der Glasfaser und einzelnen Atomen, die sich knapp außerhalb der Glasfaser befinden. Die Ergebnisse der Quanten-Experimente könnten in ganz unterschiedlichen Fachgebieten ein neues Nachdenken über longitudinal schwingendes Licht anstoßen.

Einerseits eröffnet sich durch die neue Technik die Möglichkeit, extrem genaue Sensoren zu bauen. Sogar einzelne Atome könnten mit Hilfe von Licht aufgespürt werden. Andererseits lassen sich in den Flaschen-Mikroresonatoren die quantenoptischen Grundlagen der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie untersuchen. Und schließlich planen die Forscher, in ihrem Experiment eine Weiche für Licht zu realisieren, in der ein einzelnes Atom den Lichtstrom zwischen zwei möglichen Ausgängen umschaltet. Eine solche quantenmechanische Lichtweiche könnte dann verwendet werden, um zukünftige Quantencomputer mittels Glasfasern untereinander zu verbinden.

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