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News: Eine atomare Photonenbremse

Schon seit längerer Zeit suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, mit denen sich Daten schneller verarbeiten lassen. Als eine Alternative zu dem traditionellen binären System diskutieren Forscher die Überlagerung von Quantenzuständen. Dabei stehen sie jedoch - unter anderem - vor dem Problem, die Information über den Quantenzustand des einen Atoms auf ein anderes zu übertragen. Photonen wären dafür zwar gut geeignet, doch wenn diese auf das andere Atom treffen, werden sie normalerweise einfach absorbiert. Eine neue Methode, bei der die Photonen sich mit Atomen zu Polaritonen zusammenlagern, könnte diese Schwierigkeit vielleicht lösen.
Bei sehr aufwendigen Rechenaufgaben stoßen heutige Computer auf der Basis des binären Systems an ihre Grenzen. Einen alternativen – und vor allem sehr viel schnelleren – Verarbeitungsweg für Daten sehen Wissenschaftler in der Überlagerung von Quantenzuständen. Als Überträger für die Information von einem Atom zum nächsten sind Photonen erste Kandidaten, weil sie sehr schnell und langlebig sind. Doch bevor die ersten Quantencomputer auf den Markt kommen, müssen noch so manche Probleme gelöst werden, zum Beispiel folgendes: Wie stoppt man das Photon, wenn es denn dann im eigenen Computer angekommen ist – und zwar so, dass kein Quäntchen Information verloren geht?

Mikhail Lukin, Susanne Yelin und Michael Fleischhauer vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge geben auf die Frage eine ganz einfach anmutende Antwort: Man fängt das Photon mit Atomen ein, die sich an den exakten Quantenzustand des Original-Photons erinnern (Physical Review Letters vom 1. Mai 2000). Aber so leicht, wie es klingt, ist der Vorgang natürlich nicht. Ein Photon kann zum Beispiel Informationen transportieren, indem seine Polarisation aus der Vertikalen in die Horizontale gedreht wird. Trifft das Photon aber dann in dem Zielcomputer auf ein Atom, wird es absorbiert und ein Großteil der Informationen geht verloren.

Um das zu verhindern, versuchen Wissenschaftler, die Photonen langsam abzubremsen. Eine in den 90er Jahren entwickelte Methode benutzt dafür von einem Laser bestrahltes atomares Gas. Das Laserlicht weist eine bestimmte Frequenz auf und versetzt die Atome in einen Zustand, in dem sie keine Photonen absorbieren können. Stattdesssen sammeln sie sich um die eintreffenden Photonen herum an und bilden mit ihnen neue Quasiteilchen, so genannte Polaritonen. Unter dem Druck der zusätzlichen Masse der Atome werden die Photonen immer langsamer.

Die Geschwindigkeit eines Polaritons ist jedoch proportional zu der Intensität des Laserstrahls. Je geringer sie wird, desto mehr Atome können sich mit Photonen zu Polaritonen zusammenlagern, wodurch sich deren Masse erhöht und somit ihre Geschwindigkeit weiter verringert. "Wenn wir die Intensität des Laserstrahls auf Null senken, nachdem der Puls eingetroffen ist, geht auch die Geschwindigkeit des Polaritons auf Null zurück und mit ihm die Zahl der Photonen. Das Polariton wird rein atomar", erklärt Lukin. Wenn die Atome das Polariton einfangen, bekommen sie damit auch den ursprünglichen Quantenzustand des Photons, fügt er hinzu. "Der Quantenzustand des Photons wird reversibel und kohärent auf die Atome übertragen."

Andere Arbeitsgruppen versuchen Photonen mit isolierten Einzelatomen einzufangen, was aber sehr schwierig ist, wie Atac Imamoglou von der University of California in Santa Barbara berichtet. Er hält die einfachere Methode von Lukin und seinen Mitarbeitern daher für einen großen Fortschritt. "Die Technik dafür ist schon da", meint er. Die Wissenschaftler hoffen, dass sie ihre Methode innerhalb einiger Monate auch tatsächlich präsentieren können.

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