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Quantenphysik: Lichtpulse im Bose-Einstein-Shuttle

Seit gut einem Jahrzehnt steht Physikern ein spannendes Spielzeug zur Verfügung: das Bose-Einstein-Kondensat. Hat man es einmal im Griff, kann man damit nicht nur Licht bremsen, sondern sogar optische Informationen übertragen - die Regeln der Quantenmechanik machen es möglich.
Illustration Photon und BEC
Die Quantenmechanik bestimmt das Aussehen der atomaren Welt, wie etwa die Ordnung der Elemente – zumindest indirekt sind wir also ständig mit ihr konfrontiert. Dennoch erscheinen uns ihre Gesetze oft fremd und unanschaulich, denn eine direkte makroskopische Beobachtung gelingt nur selten.

Der Zustand eines Quantenteilchens wird durch eine Wellenfunktion charakterisiert. Weil die Teilchen aber räumlich verschmiert und nicht voneinander zu unterscheiden sind, müssten streng genommen zugleich alle anderen Partikel der gleichen Sorte berücksichtigt werden – egal wie weit sie entfernt sind. In den meisten Fällen genügt es jedoch, nur Teilchen in der näheren Umgebung zu betrachten. Dass quantenmechanische Fernwirkungen aber durchaus Realität sind, wurde jetzt an Bose-Einstein-Kondensaten demonstriert.

Diese Kondensate bestehen aus Bosonen – einer Gruppe von Teilchen, denen es erlaubt ist, gleichzeitig im selben Energiezustand zu verharren. Bei normalen Temperaturen fällt das nicht weiter auf, da sich die Teilchen über eine ganze Bandbreite vorhandener Energieniveaus verteilen. Werden Bosonen allerdings so weit abgekühlt, dass sich alle Teilchen im energetischen Grundzustand befinden, bilden sie gemeinsam ein Bose-Einstein-Kondensat. In einem solchen Kondensat geben die Atome ihre Individualität auf und bilden ein einziges Objekt, das durch eine "Vielteilchen-Wellenfunktion" beschrieben wird. Dieser Zustand, der 1924 erstmals von Satyendra Nath Bose für Photonen und kurze Zeit später von Albert Einstein auch für Materie postuliert wurde, blieb lange ein Gedankenspiel, bis er 1995 bei inzwischen Nobelpreis-prämierten Experimenten mit Rubidium- und Natrium-Atomen erzeugt wurde.

Signalübertragung durch B-E-Kondensate | Signalübertragung über zwei Bose-Einstein-Kondensate: Ein einfallender Lichtpuls wird im linken Kondensat absorbiert, durch angeregte Atome zum rechten Kondensat übertragen und dort wieder ausgesendet.
Ebenfalls unter Verwendung von superkaltem Natrium gelang es den drei Forschern Naomi Ginsberg, Sean Garner und Lene Hau an der Universität Harvard jetzt, die Quanteneigenschaften des Bose-Einstein-Zustands zu nutzen, um Informationen zwischen zwei räumlich getrennten Kondensaten zu übertragen. Zunächst beschossen sie dazu eine der Kondensatwolken mit einem kurzen Lichtpuls. Die Photonen dieses Lichtpulses drangen in die Kondensatwolke ein und induzierten mit Hilfe eines sogenannten Kopplungslasers Schwingungen in den Kernspins der Atome. Dabei wurde das Licht so weit gestaucht, dass der ursprünglich kilometerlange Lichtpuls in der etwa fünfzig Mikrometer kleinen Wolke verschwand und schließlich vollständig absorbiert wurde.

Quantenmechanisch gesehen, regten die einfallenden Photonen einen höheren Energiezustand des Kondensats an. Anders als klassische Teilchen, dürfen sich Quantenteilchen jedoch gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, wobei jeder Zustand durch eine eigene Wellenfunktion beschrieben wird. Nach der Absorption des einfallenden Lichtpulses bestand der Zustand des Kondensats aus einer solchen Überlagerung von Wellenfunktionen – und in dieser Überlagerung war die Information über die Eigenschaften des geschluckten Lichtpulses gespeichert, wie etwa Form und Bewegungsrichtung.

Angestoßen durch den Impuls der absorbierten Photonen, verließen angeregte Atome das Kondensat und wanderten mit einer vergleichweise gemächlichen Geschwindigkeit von zweihundert Metern pro Stunde zu einer zweiten Kondensatwolke, die etwa 160 Mikrometer entfernt war – ein für Quantenverhältnisse immenser Abstand. Dort überlagerte sich der Zustand der angeregten Atome mit dem Grundzustand des zweiten Kondensats. Wurde der Kopplungslaser in diesem Moment wieder eingeschaltet, so fand der umgekehrte Prozess statt: Aus der Überlagerung der Wellenfunktionen entstand der ursprünglichen Lichtpuls, der entsprechend das Kondensat wieder verließ.

Nach klassischen Vorstellungen gibt es keinen Kontakt zwischen den beiden Kondensatwolken. Die Wiederherstellung der Information durch Überlagerung gelingt aber nur, wenn die Wellenfunktionen der beiden Kondensate miteinander in Verbindung stehen. Wie die Forscher berichten, war der Effekt jedoch auch unabhängig davon, ob die beiden Wolken vor oder nach der Kondensation voneinander getrennt wurden. Die Beobachtung ist nur quantenmechanisch zu erklären: Die Zustände der beiden Kondensatwolken sind nicht unabhängig voneinander, sondern müssen trotz des Abstandes durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben werden.

Und wozu das Ganze? Die Ideen für Anwendungen reichen von ganz neuartigen Interferometern bis zur Quanteninformationsübertragung und -speicherung. Die Informationseinheiten in Quantencomputern, die ebenfalls aus Überlagerungen von Quantenzuständen bestehen, ließen sich so praktisch für Minuten speichern und manipulieren. Auch in der allgegenwärtigen optischen Informationsübertragung wollen die Forscher Lichtpulse vorübergehend in Atomen speichern. Ob Bose-Einstein-Kondensate dabei wirklich zum Einsatz kommen, bleibt fraglich: Noch immer gelingt es nur mit viel Aufwand, sie herzustellen und zu stabilisieren.

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