Photonen sind eindeutig häufiger in Gesellschaft als einsam. Und genau diese Eigenschaft stört Forscher wie Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und seine Kollegen, wenn sie – rein theoretisch – zukünftige Experimente zur Quanteninformationsverarbeitung durchspielen, um irgendwann einmal – ganz praktisch – effizienter als mit klassischen Computern rechnen zu können. Aus diesem Grund suchen die Wissenschaftler seit längerem einen Weg zum Einzelphoton. Dieser sollte zunächst einmal über ein vereinsamtes Atom führen, weil ein einzelnes Atom auch immer nur ein Photon auf einmal aussenden kann – wird es mit einem Laserpuls anregt, erzeugt man also die gesuchten einzelnen Photonen.

Speichert man das Atom zudem zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln, einem sogenannten Resonator, dann fliegen alle Photonen, die das Atom bei wiederholtem Beschuss mit Laserpulsen emittiert, in Richtung der Resonatorachse. Verglichen mit anderen Methoden der Photonenerzeugung liefert dieses Verfahren Lichtquanten sehr einheitlicher Energie. Auch können die Eigenschaften der Photonen gesteuert werden. Man kann sie beispielsweise ununterscheidbar machen – eine Voraussetzung, um sie für Rechnungen in Quantencomputern zu verwenden. Soweit die Theorie. Leider war es aber bis heute nicht möglich, ein elektrisch neutrales Atom, das einzelne Photonen emittiert, lange genug in einem Resonator festzuhalten, um einen praktisch verwertbaren Photonenstrom zu bekommen.

Rempe und seine Kollegen hatten es aber vor einiger Zeit immerhin geschafft, die Speicherzeiten für ein einzelnes Atom mit Hilfe einer Resonator-Kühlung signifikant zu steigern. Nun sind die Wissenschaftler wieder einen Schritt weiter: Sie zeigen, dass sie diese dreidimensionale Kühlung mit der Erzeugung einzelner Photonen so kombinieren können, dass ein einzelnes Atom bis zu 300 000 Photonen abstrahlt. Da die Verweilzeit des Atoms im Resonator sehr viel größer ist als die Zeit, die es braucht, das Atom durch Einfangen und Kühlen bereit zu stellen, können einzelne Photonen fast jederzeit erzeugt werden. Das ermöglicht es, die Photonen an einen Nutzer weiterzuleiten: das System arbeitet als Einzel-Photonen-Server.

In dem Experiment werden zunächst Rubidiumatome innerhalb einer Vakuumkammer auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt. Anschließend leiten die Wissenschaftler ultrakalte Atome über eine "Lichtfalle" in den optischen Resonator, und laden sie danach in eine stehende Lichtwelle, worin die Atome festgehalten werden. Zusätzlich beschießt ein Laser die Atome von der Seite mit Lichtpulsen und regt sie damit zum Leuchten an – die Atome emittieren einzelne Photonen.

Nach einer kurzen Zeit befindet sich nur noch ein einzelnes Atom im Resonator, jetzt kann also ein Strom einzelner Photonen erzeugt werden. Zwischen zwei aufeinander folgenden Emissionen wird das Atom immer wieder gekühlt, damit es nicht auf Grund thermischer Bewegung aus dem Resonator herausfliegt. Um zu überprüfen, ob bei jedem Laserpuls nur ein Photon ausgesandt wird, leiten die Forscher den Photonenstrom auf einen Strahlteiler, der die Photonen auf zwei Detektoren lenkt. Ein einzelnes Photon wird in einem der beiden Detektoren detektiert. Würde mehr als ein Photon erzeugt, käme es zu einer Koinzidenz, das heißt beide Detektoren würden gleichzeitig ein Signal melden. Die Abwesenheit solcher Koinzidenzen in dem vorliegenden Experiment beweist, dass bei jedem Laserpuls immer genau ein Photon ausgestrahlt wird.

Die Quanteninformationsverarbeitung mit Photonen rücke mit ihrer Arbeit wieder einen Schritt näher, freuen sich die Forscher. Ein funktionierender Einzel-Photonen-Server mache es nun etwa möglich, Herausforderungen wie die deterministische Verschränkung von Atom-Photon- und Atom-Atom-Paaren in Angriff nehmen.