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Gefrorenes Licht

In subtilen Experimenten gelingt es, Laserpulse in extrem gekühltem Gas fast auf Schritttempo abzubremsen und für Sekundenbruchteile sogar zum völligen Stillstand zu bringen. Der erstaunliche Effekt eröffnet neue Wege in der optischen Datenübertragung, ungeahnt präzise Vermessungen einzelner Atome und die Chance, Aspekte Schwarzer Löcher im Labor zu simulieren.


Bekanntlich vermag nichts sich schneller zu bewegen als das Licht, und seine Geschwindigkeit im Vakuum – rund 300000 Kilometer pro Sekunde – gehört als Naturkonstante zu den grundlegenden Eigenschaften des Universums. Dennoch ist es uns am Rowland Institute for Science in Cambridge (US-Bundesstaat Massachusetts) unter großem experimentellem Aufwand gelungen, Lichtpulse drastisch zu verlangsamen.

Unsere ersten Versuche mit gebremstem Licht dauerten in der Regel jeweils 27 Stunden ohne Pause. Statt zum Essen in die Kantine zu gehen, gewöhnten wir uns an, in einer Hand ein Stück Pizza zu balancieren, während wir mit der anderen Hand Spiegel auf dem optischen Tisch verschoben – in den entscheidenden Versuchsphasen 38 Sekunden lang bei völliger Dunkelheit. Die ersten Erfolge sahen wir im März 1998, und zwar wie so oft bei einem komplizierten Experiment erst in den frühen Morgenstunden. Im Juli konnten wir unsere Lichtstrahlen auf das Tempo von Flugzeugen bremsen. Damals sollte ich Vorlesungen am Niels-Bohr-Institut für Astronomie in Kopenhagen halten. Im Flugzeug genoss ich das Gefühl, "schneller als Licht" unterwegs zu sein: Einer unserer verlangsamten Lichtpulse wäre in Dänemark eine volle Stunde später angekommen als ich.

Natürlich gingen mir während der Woche in Kopenhagen unsere Experimente in Cambridge nicht aus dem Kopf. Im folgenden Monat bremsten wir Licht bis auf 60 Kilometer pro Stunde und beschlossen eine Veröffentlichung. Der Lohn unserer Mühe war bis dahin nur gewesen, mitten in der Nacht im Labor zu sitzen, Lichtpulse zu beobachten und zu wissen, dass wir weltweit die Ersten waren, die Licht erzeugten, das man mit dem Fahrrad hätte überholen können.

Gegen Ende 2000 kam dieser Prozess zu seinem ebenso logischen wie verblüffenden Abschluss: Wir brachten Lichtpulse in winzigen, fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlten Gaswolken zu völligem Stillstand. Wir konnten die Pulse sozusagen kurz auf Eis legen und dann wieder weiterschicken.

Das Verlangsamen und Einfrieren von Licht ist nicht nur an sich von großem Interesse, sondern verspricht auch zahlreiche Anwendungen – insbesondere höchst präzise Messungen atomarer Eigenschaften. Dabei finden Wechselwirkungen zwischen den Atomen und Licht statt, und mit langsamem Licht lässt sich die Messgenauigkeit enorm erhöhen.

Die extrem gekühlten Atomwolken, die wir in unseren Experimenten verwenden, bilden bei genügend tiefen Temperaturen so genannte Bose-Einstein-Kondensate – exotische Quantensysteme, in denen sämtliche Atome einen einzigen Zustand einnehmen und völlig synchron agieren. Ein Lichtpuls, der durch ein solches Kondensat nicht schneller wandert als eine Schallwelle, könnte einzigartige akusto-optische Wechselwirkungen erzeugen, beispielsweise eine Welle von Atomen, die gleichsam auf dem Lichtpuls reitet.

Die Arbeit mit langsamem und gefrorenem Licht eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die optische Nachrichtenübertragung und -speicherung sowie für künftige Quantencomputer. Ein Lichtbremssystem liefert im Prinzip das Verbindungsglied zwischen Photonen mit normaler Lichtgeschwindigkeit und bewegungsloser Quanteninformation.

In vielen Substanzen pflanzt Licht sich langsamer fort – in Wasser zum Beispiel mit rund 75 Prozent der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Doch diese Form der Verlangsamung, die mit der Brechzahl des Mediums zusammenhängt, hat ihre Grenzen. Selbst Diamant, der eine der höchsten Brechzahlen unter den durchsichtigen Materialien besitzt, verlangsamt Licht nur um das 2,4fache. Damit die Lichtgeschwindigkeit um einen Faktor von einigen zehn Millionen sinkt, müssen quantenmechanische Effekte ins Spiel gebracht werden. Meine Gruppe erzeugt solche Effekte in einer zigarrenförmigen – nur 0,2 Millimeter langen und 0,05 Millimeter dicken – Wolke von Natriumatomen, die in einem Magnetfeld gefangen sind und bis auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

Natrium gehört zu der Familie der Alkaliatome, die in der äußersten Schale ein einziges Elektron tragen. Dieses Valenzelektron bestimmt fast ausschließlich das Verhalten des gesamten Atoms: Unterschiedliche Anregungszustände eines Natriumatoms entsprechen verschieden hohen Energien des Valenzelektrons. Diese Zustände legen fest, wie das Atom mit Licht wechselwirkt – insbesondere, welche Frequenzen es bevorzugt absorbiert. Außerdem verhalten sich sowohl das Valenzelektron als auch der Atomkern wie winzige Magnetnadeln. Der Magnetismus des Elektrons hängt mit seinem Eigendrehimpuls oder Spin zusammen. Die exakte Energie eines atomaren Anregungszustands wiederum hängt davon ab, wie die Spins von Kern und Valenzelektron relativ zueinander orientiert sind.

Obwohl ein Atom eine Vielfalt solcher Zustände einnehmen kann, nutzen wir nur drei davon, um Licht zu bremsen. Wenn wir bei unseren Experimenten die Atomwolke präpariert und gekühlt haben, ist jedes Atom in Zustand 1, dem Grundzustand: Das Valenzelektron hat minimale Energie, und sein Spin ist exakt entgegengesetzt orientiert zum Kernspin. Außerdem ist der Gesamtmagnetismus jedes Atoms entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeld, mit dem wir die Wolke festhalten. Zustand 2 ist sehr ähnlich, nur sind Elektron- und Kernspin gleichsinnig ausgerichtet, wodurch die Energie des Atoms ein wenig höher liegt. Zustand 3 besitzt rund 300000-mal mehr Energie als Zustand 2 und wird erzeugt, indem das Valenzelektron in einen höheren Energiezustand versetzt wird. Wenn die Atome von Zustand 3 spontan auf Zustand 1 oder 2 zurückfallen, entsteht das charakteristische gelbe Leuchten, das wir von Natrium-Straßenlaternen kennen.

Der Lichtpuls, den wir verlangsamen wollen, ist auf die Energiedifferenz zwischen den Zuständen 1 und 3 abgestimmt. Würden wir einen Puls dieses Lichts in die Natriumwolke schicken, ohne sie zu präparieren, so würden die Atome den Puls völlig absorbieren und von Zustand 1 zu Zustand 3 springen. Nach kurzer Zeit würden die angeregten Atome in den Grundzustand zurückfallen und das Licht wieder emittieren, aber zufällig und in alle Richtungen. Die Wolke würde in hellem Gelb erstrahlen, doch die gesamte Information über den ursprünglichen Puls wäre gelöscht.

Um diese Absorption zu verhindern, nutzen wir ein Phänomen namens elektromagnetisch induzierte Transparenz, das Stephen E. Harris Anfang der neunziger Jahre an der Stanford University entdeckte. Dabei bestrahlt ein Laser mit sorgsam gewählter Frequenz die Wolke und verwandelt sie aus einem Medium, das für Licht einer anderen spezifischen Frequenz so undurchlässig ist wie eine Wand, in eines, das dafür transparent ist wie Glas.

Der Transparenz erzeugende Strahl – der so genannte Kopplungsstrahl – ist auf die Energiedifferenz zwischen den Zuständen 2 und 3 abgestimmt. Die Atome in Zustand 1 können diesen Strahl nicht absorbieren. Sobald das auf Zustand 3 abgestimmte Testlicht eingeschaltet wird, versetzen die beiden Strahlen die Atome in eine Quantensuperposition der Zustände 1 und 2; das heißt, jedes Atom nimmt beide Zustände zugleich ein. Zustand 1 allein würde das Testlicht absorbieren, und Zustand 2 würde den Kopplungsstrahl absorbieren, wobei jeder die Atome in Zustand 3 versetzen würde, welcher dann das Licht zufällig emittieren würde. Doch die beiden Vorgänge zusammen heben einander durch so genannte Quanteninterferenz gerade auf – wie zwei gleich starke Kontrahenten beim Seilziehen. Der Superpositionszustand heißt dunkler Zustand, weil die Atome von den Strahlen praktisch nichts spüren, sondern sozusagen "im Dunklen" gelassen werden. Für den Teststrahl erscheinen die Atome transparent, weil sie ihn im dunklen Zustand nicht zu absorbieren vermögen. Welche Superposition dunkel ist – welches Verhältnis der Zustände 1 und 2 nötig ist –, variiert je nach dem Verhältnis des Lichts im Kopplungs- und Teststrahl an jedem Ort. Doch sobald das System einmal in einem dunklen Zustand startet – in diesem Fall hundert Prozent Kopplungsstrahl und hundert Prozent Zustand 1 –, bleibt es selbst dann dunkel, wenn der Teststrahl eingeschaltet wird.

Atomwolken als Lichtbremsen

Ein ähnlicher Aufhebungsvorgang sorgt dafür, dass für Licht, welches exakt auf Zustand 3 abgestimmt ist, die Brechzahl genau eins wird – wie im Vakuum. Doch bei geringfügig anderen Frequenzen ist die Aufhebung weniger exakt, und die Brechzahl ändert sich. Ein kurzer Lichtpuls reagiert empfindlich auf diese Variation der Brechzahl, weil ein begrenzter Puls eigentlich aus einem schmalen Band unterschiedlicher Frequenzen besteht. Jede dieser Frequenzen "spürt" sozusagen eine etwas andere Brechzahl und pflanzt sich darum mit etwas anderer Geschwindigkeit fort. Diese Geschwindigkeit – die eines kontinuierlichen Strahls einer einzigen reinen Frequenz – ist die Phasengeschwindigkeit. Der Lichtpuls ist dort lokalisiert, wo alle diese Komponenten exakt in Phase sind, das heißt völlig synchron schwingen. In einem gewöhnlichen Medium wie Luft oder Wasser bewegen sich alle Komponenten praktisch gleich schnell, und der Ort, wo sie in Phase sind – wo der Puls lokalisiert ist –, pflanzt sich ebenfalls mit dieser Geschwindigkeit fort. Wenn die Komponenten sich hingegen mit den etwas unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wie sie in transparenten Atomwolken auftreten, verschiebt sich der Ort, an dem sie in Phase sind, immer weiter nach hinten; mit anderen Worten, der Puls wird verlangsamt. Die Geschwindigkeit des gesamten Pulses heißt Gruppengeschwindigkeit, weil der Puls aus einer Gruppe von Strahlen unterschiedlicher Frequenz besteht.

Dieser Vorgang unterscheidet sich in einigen wichtigen Punkten von der üblichen Verlangsamung des Lichts in einem Medium, dessen Brechzahl größer als eins ist:

- Nicht die Phasen-, sondern die Gruppengeschwindigkeit wird gesenkt;

- nicht ein hoher Wert der Brechzahl, sondern ihre möglichst abrupte Änderung verursacht die Verlangsamung;

- der Kopplungsstrahl muss während der gesamten Zeit auf das Medium einwirken.

Je stärker die Brechzahl mit der Frequenz variiert, desto langsamer pflanzt sich der Puls fort. Einer möglichst drastischen Brechzahländerung wirkt allerdings die unaufhörliche Bewegung der Gasatome entgegen, denn deren chaotisches Hin und Her verschmiert durch den so genannten Doppler-Effekt jeden Zustand über einen kleinen Energiebereich. Im Alltag begegnet uns der Doppler-Effekt als Abfallen des Huptons, wenn ein vorbeifahrendes Auto sich erst nähert und dann wieder entfernt. Die Gasatome gleichen insofern unzähligen Autos, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten umherfahren und eine Kakophonie leicht versetzter Töne erzeugen.

Meine Gruppe benutzt extrem gekühlte – und somit langsame – Atome, um diese Doppler-Verbreiterung so klein wie möglich zu halten. Infolgedessen sind die Energiezustände scharf definiert, und der Frequenzbereich, in dem die Aufhebung auftritt, wird sehr schmal. Zwar haben andere Forscher – etwa Marlan O. Scully an der Texas A&M University, Dmitry Budker an der Universität von Kalifornien in Berkeley sowie Ronald L. Walsworth und Mikhail D. Lukin am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (Massachusetts) – auf die extreme Kühlung verzichtet und langsames Licht in Gasen bei Raumtemperatur erzeugt; aber dafür konnten sie nur einen begrenzten Bremseffekt erzielen.

Wir kühlen unsere Natriumatome mit einer Kombination von Laserstrahlen, Magnetfeldern und Radiowellen. Zunächst schießen die Atome aus einer heißen Quelle als intensiver Strahl mit rund 2600 Kilometern pro Stunde. Ein Laserstrahl trifft frontal auf die Atome und bremst sie in einer tausendstel Sekunde auf 160 Kilometer pro Stunde; diese Bremswirkung eines Lasers, an dem man sich nicht einmal die Fingerspitze verbrennen würde, entspricht der 70000fachen Erdbeschleunigung. Weitere Laserkühlung durch sechs gekreuzte Strahlen bringt die Atome auf 50 millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In wenigen Sekunden sammeln sich 10 Milliarden Atome in diesem "optischen Sirup". Nun schalten wir die Laser ab, wodurch das Labor in totale Finsternis versinkt, und schalten Elektromagnete ein, deren kombiniertes Feld die Atomwolke wie in einer Falle gefangen hält. Dann kühlen wir die Atome 38 Sekunden lang durch Verdunstung, wobei die wärmeren Atome entweichen und die kälteren zurückbleiben. Speziell abgestimmte Radiowellen beschleunigen diesen Vorgang, indem sie die warmen Atome zusätzlich mit Energie versorgen. Der gesamte Vorgang – vom heißen Atomstrahl bis zu den ultrakalten Atomen in der Falle – findet in einer Vakuumkammer bei 10E–14 Atmosphären statt.

Im optischen Sirup

Wenn wir die Wolke auf ein halbes millionstel Grad kühlen, entsteht ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat: Die nach der Verdunstungskühlung in der Magnetfalle übrig gebliebenen Atome – immerhin mehrere Millionen – bilden einen einzigen Quantenzustand und verhalten sich völlig synchron (siehe "Das kälteste Gas im Universum" von Graham P. Collins, Spektrum der Wissenschaft 2/2001, S. 50). Diese inmitten der Vakuumkammer magnetisch fixierten Atomwolken sind die kältesten Orte im Universum – und dennoch herrscht nur einen Zentimeter daneben im Rest unseres Versuchsaufbaus eine normale Raumtemperatur. Durch die luftdichten Fenster in der Kammer können wir die Atome während der Laserkühlung mit freiem Auge beobachten. Eine kalte Atomwolke im optischen Sirup sieht aus wie eine winzige, nur fünf Millimeter große Sonne. Der einfache optische Zugang ermöglicht uns, die Atome mit Laserstrahlen gezielt so zu behandeln, dass sie genau tun, was wir wollen.

Sobald unser Ellipsoid aus kalten Atomen fertig präpariert ist, beleuchten wir es seitlich mit dem Kopplungslaser. Dann schicken wir einen Testpuls entlang der Längsachse. Um die Geschwindigkeit des Lichts zu messen, lauern wir einfach mit einem Lichtdetektor hinter der Wolke auf den Testpuls und beobachten, wie lange es dauert, bis er zum Vorschein kommt. Unmittelbar nachdem der Puls die Wolke durchquert hat, messen wir ihre Länge mit einem weiteren Laserstrahl, der von unten kommt und den Schatten der Wolke auf eine Kamera projiziert. Diese Länge dividiert durch die Zeitverzögerung des Pulses ergibt die Geschwindigkeit. Die Verzögerung liegt im Bereich von Millionstel bis Tausendstel Sekunden; das mag sich kurz anhören, entspricht aber einem optischen Umweg durch kilometerlange Glasfaserstränge.

Wenn wir einen Lichtpuls um einen Faktor von 20 Millionen verlangsamen, geschieht mehr als eine bloße Geschwindigkeitsänderung. Zu Beginn ist unser Puls einen Kilometer lang und rast mit fast 300000 Kilometern pro Sekunde durch die Luft. Natürlich ist unser Labor viel kürzer als ein Kilometer, aber wenn wir unseren Laser so weit entfernt aufstellen könnten, würden seine Pulse in Luft kilometerlang sein. Die Front des Pulses durchdringt das Glasfenster der Vakuumkammer und tritt in unser schwebendes Häufchen aus Natriumatomen ein. Innerhalb dieser dünnen Wolke bewegt sich das Licht mit 60 Stundenkilometern. Ein gut trainierter Radrennfahrer könnte nun den trägen Puls überholen.

Da die Pulsfront so langsam dahinschleicht, während das Pulsende noch in vollem Tempo durch die Luft jagt, staucht sich der Puls im Gas zusammen wie eine Ziehharmonika: Seine Länge schrumpft um das 20-Millionenfache auf ein zwanzigstel Millimeter. Man könnte erwarten, dass die Intensität des Lichts sich entsprechend erhöhen muss, weil die Energie auf kleinstem Raum konzentriert wird. Doch diese Verstärkung findet nicht statt; die Intensität der elektromagnetischen Welle bleibt unverändert. Das bedeutet: Während der Puls im Freien 50000 Photonen enthält, sinkt diese Zahl im gebremsten Puls auf den 400sten Teil eines Photons – eben um den Faktor 20 Millionen. Was ist aus all den anderen Photonen und ihrer Energie geworden? Ein Teil der Energie wird von den Natriumatomen absorbiert, doch das meiste geht in den Kopplungsstrahl über. Wir haben die Intensität des Kopplungsstrahls verfolgt, um diesen Energietransfer direkt zu beobachten.

Dunkle Zustände

Die Energieübertragung verändert auch den Zustand der vom Puls getroffenen Natriumatome. An der Front des Pulses gehen die Atome aus ihrem ursprünglichen Zustand 1 in eine Superposition der Zustände 1 und 2 über – den oben erwähnten dunklen Zustand. Der dunkle Zustand hat den größten Anteil von Zustand 2 an der zentralen und intensivsten Stelle des Pulses. Wenn das Hinterende des langsamen Pulses eine Atomregion verlässt, kehren die Atome dort in Zustand 1 zurück. Das Muster der dunklen Zustände in der Wolke entspricht der Form des gestauchten langsamen Pulses und begleitet ihn als Welle durch das Gas. Wenn diese Welle und der Lichtpuls das Ende der Gaswolke erreichen, saugt der Puls wiederum Energie aus den Atomen und dem Kopplungsstrahl auf; nun kann er mit seinem gewohnten Tempo von 300000 Kilometern pro Sekunde durch die Luft flitzen und streckt sich wieder auf die ursprüngliche Länge von einem Kilometer.

Die Geschwindigkeit des langsamen Lichts hängt von mehreren Parametern ab. Einige Parameter legen wir durch die Wahl der Atomsorte und der Anregungszustände fest, doch zwei Variable stehen uns noch frei: die Dichte der Atomwolke und die Intensität des Kopplungslaserstrahls. Mit höherer Dichte der Wolke sinkt die Lichtgeschwindigkeit, aber diese Bremswirkung stößt bald an ihre Grenzen, denn bei sehr dichten Wolken sickern Atome allzu schnell aus der Magnetfalle. Die Pulsgeschwindigkeit sinkt zwar auch mit weniger intensivem Kopplungsstrahl. Doch wenn der Kopplungslaser wiederum allzu schwach wird, verliert die Wolke ihre Transparenz und absorbiert den Puls. Deshalb verwenden wir einen Trick, um maximale Verlangsamung zu erzielen, ohne den Puls durch Absorption zu verlieren: Wir schalten den Kopplungslaserstrahl aus, während der gestauchte verlangsamte Puls sich inmitten des Gases aufhält.

Dadurch kommt der Lichtpuls zum Stillstand und scheint zu verschwinden. Doch die im Licht enthaltene Information geht nicht verloren. Sie wurde bereits den Atomzuständen aufgeprägt, und wenn der Puls zum Stehen kommt, ist dieser Abdruck einfach räumlich eingefroren – ähnlich wie ein auf Tonband aufgenommener Klang. Der Vorgang des völligen Abbremsens komprimiert das Zustandsmuster nicht, denn das gesamte Muster wird gleichermaßen verlangsamt, im Gegensatz zu dem früheren Vorgang, bei dem der Puls allmählich ins Gas eindrang.

Das eingefrorene und den Atomen aufgeprägte Muster enthält die gesamte Information über den ursprünglichen Lichtpuls. Zum Beispiel hängt das Verhältnis der Zustände 1 und 2 mit der Intensität des Pulses an jedem Ort zusammen. Es entsteht praktisch ein Hologramm des Pulses, das den Atomen des Gases eingeschrieben ist. Dieses Hologramm wird abgelesen, indem wir den Kopplungslaser wieder einschalten. Wie durch Zauberei erscheint der Lichtpuls von neuem und macht sich in Zeitlupe auf den Weg – zusammen mit der Welle von Atomzuständen –, als wäre er nicht unterbrochen worden.

Wir können das Licht bis zu einer tausendstel Sekunde lang speichern; in dieser Zeit würde ein Puls in Luft 300 Kilometer zurücklegen. Der Puls wird allerdings immer undeutlicher, je länger er gespeichert bleibt: Durch die Bewegung der Atome im Gas löst sich das Muster der dunklen Zustände langsam auf. Nach einer tausendstel Sekunde ist der Output-Puls deutlich schwächer als das Original. Dagegen können wir etwas unternehmen: Wenn wir beispielsweise die Intensität des Kopplungsstrahls steigern, wird der Output-Puls heller, aber kürzer. Durch mehrmaliges schnelles Ein- und Ausschalten des Kopplungsstrahls regeneriert sich der Puls in mehreren Stücken. Solche Manipulationen zeigen, bis zu welchem Grad wir unsere gespeicherten Pulse zu kontrollieren vermögen; das könnte bei künftigen Experimenten und Anwendungen nützlich sein.

Schwarze Löcher und Quantencomputer

Das Bremsen und Einfrieren von Licht macht viele interessante Experimente möglich. Zum Beispiel könnten wir einen Lichtpuls durch ein Bose-Einstein-Kondensat schicken und die Lichtgeschwindigkeit so einstellen, dass sie der Schallgeschwindigkeit im Kondensat – rund ein Zentimeter pro Sekunde – entspricht. Die Atome würden dann gleichsam auf dem Lichtpuls reiten und das gesamte Kondensat in Schwingung versetzen. Das gäbe ein völlig neues Verfahren, die Superfluidität zu untersuchen. Kondensate lassen sich außerdem in einen Wirbelzustand versetzen, wobei das Gas rotiert und diskrete Quantenwirbel bildet. Ein verlangsamter Lichtpuls würde beim Durchgang durch einen Wirbel mit dem Gas mitgezogen; dieses Phänomen gleicht Vorgängen, die in der Nähe Schwarzer Löcher vermutet werden. Mit langsamem Licht können wir demnach gewisse Eigenschaften Schwarzer Löcher im Labor untersuchen.

Langsames Licht ermöglicht auch eine neue Art von nichtlinearer Optik, die insbesondere auftritt, wenn ein Laserstrahl die Eigenschaften eines anderen verändert. Dieses Gebiet ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern auch für Anwendungen – von bildgebenden Verfahren bis zur Telekommunikation. Normalerweise sind dafür extrem intensive Strahlen erforderlich, doch mit gebremstem Licht lassen sich entsprechende Phänomene mit sehr wenigen Photonen erzielen. Solche Effekte könnten sich als nützlich erweisen, um äußerst empfindliche optische Schaltungen zu erzeugen.

Eine andere Anwendung für langsames oder gestopptes Licht könnten Quantencomputer sein, in denen die normalerweise eindeutigen Einsen und Nullen durch Quantensuperpositionen von Einsen und Nullen – so genannte Qubits – ersetzt sind. Falls solche Computer sich bauen lassen, können sie gewisse Probleme lösen, für die ein gewöhnlicher Elektronenrechner unermesslich viel Zeit brauchen würde. Es gibt grob gesprochen zwei Arten von Qubits: solche, die an einem Ort bleiben und bereitwillig miteinander wechselwirken – etwa Quantenzustände von Atomen –, und solche, die schnell von einem Ort zum anderen wandern – Photonen –, aber nur schwer dazu zu bringen sind, auf die für einen Quantencomputer erforderliche Weise in Wechselwirkung zu treten. Indem ein mit langsamem Licht operierendes System flüchtige Photonen in stationäre dunkle Zustandsmuster umwandelt und umgekehrt, bietet es eine zuverlässige Methode, die beiden Typen von Qubits ineinander zu konvertieren. Dieser Vorgang dürfte eine Voraussetzung für den Bau großer Quantencomputer sein. Wir stellen uns vor, dass man ein und derselben Atomwolke zwei Pulse aufprägt, die Atome in Wechselwirkung treten lässt und schließlich das Resultat abliest, indem man neue Output-Lichtpulse erzeugt.

Selbst wenn gefrorenes Licht sich letztlich nicht als die bequemste und vielseitigste Komponente künftiger Quantencomputer erweisen sollte, eröffnet es der Forschung so viele Anwendungen, dass wir und andere Teams in kommenden Jahren damit gewiss noch viele Nächte zubringen werden.

Literaturhinweise


Observation of Coherent Optical Information Storage in an Atomic Medium Using Halted Light Pulses. Von Chien Liu, Lene Vestergaard Hau et al. in: Nature, Bd. 409, S. 490 (2001).

Light Speed Reduction to 17 Meters per Second in an Ultracold Atomic Gas. Von Lene Vestergaard Hau et al. in: Nature, Bd. 397, S. 594 (1999).

Electromagnetically Induced Transparency. Von Stephen E. Harris in: Physics Today, Bd. 50, Heft 7, S. 36 (1997).


Glossar


Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c ist eine universelle Konstante: c = 299793,458 Kilometer pro Sekunde. Kein Signal vermag sich schneller fortzupflanzen.

Die Gruppengeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich eine Gruppe von Wellen – ein Lichtsignal – in einem optischen Medium ausbreitet. In Luft ist diese Signalgeschwindigkeit ein wenig kleiner als c, in Wasser beträgt sie nur drei Viertel, in Glas sogar nur zwei Drittel von c.

Die Phasengeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich die Phase einer einzelnen Lichtwelle – etwa ein Wellenberg oder ein Wellental – in einem Medium fortpflanzt. Nur im Vakuum sind Phasen- und Gruppengeschwindigkeit exakt gleich.

Gefrorenes Licht ist ein Laserpuls, dessen Gruppengeschwindigkeit beim Passieren einer ultrakalten Gaswolke durch An- und Ausschalten eines Kontroll-Lasers praktisch auf Null gesenkt wird.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001, Seite 38
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001

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