In einem bahnbrechenden Meilenstein-Experiment konnten Wissenschaftler eine kleine Anzahl einzelner Lichtphotonen manipulieren und damit Türen für die Entwicklung von Quantentechnologien öffnen.
Diese Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturphysik am 20. März, beschreibt, wie die Forscher zwei Lichtphotonen zur Wechselwirkung bringen und den Unterschied zwischen diesen wechselwirkenden Photonen und einem einzelnen Photon messen konnten.
„Dieses Experiment ist schön, nicht nur, weil es einen fundamentalen Effekt – stimulierte Emission – an seiner äußersten Grenze validiert, sondern es stellt auch einen großen technologischen Schritt in Richtung fortschrittlicher Anwendungen dar“, sagte Co-Hauptautorin Natasha Tomm von der Universität Basel ein Statement.
Quantenphysik ist die Lehre von subatomaren Teilchen, wie Photonen, Quarks und Neutrinos. Photonen sind masselose Quantenteilchen, aus denen sichtbares Licht und alle anderen elektromagnetischen Wellenlängen bestehen, und sie haben einen Welle-Teilchen-Dualismus, was bedeutet, dass ihr Verhalten Eigenschaften sowohl von Wellen als auch von Teilchen aufweist.
„Dies öffnet die Tür für die Manipulation dessen, was wir ‚Quantenlicht‘ nennen können“, sagte Co-Hauptautor Sahand Mahmoodian von der University of Sydney School of Physics in einer Erklärung. “Diese grundlegende Wissenschaft eröffnet den Weg für Fortschritte bei quantengestützten Messtechniken und photonischen Quantencomputern.”
In ihren Experimenten schossen die Wissenschaftler sowohl ein einzelnes Photon als auch ein Paar gebundener Photonen auf ein künstliches Atom namens Quantenpunkt und stellten fest, dass sie eine direkte Zeitverzögerung zwischen dem Photon allein und den gebundenen messen konnten.
„Das von uns gebaute Gerät induzierte so starke Wechselwirkungen zwischen Photonen, dass wir den Unterschied zwischen einem Photon, das damit interagierte, im Vergleich zu zwei beobachten konnten“, sagte Tomm.
„Wir haben beobachtet, dass ein Photon im Vergleich zu zwei Photonen um eine längere Zeit verzögert wurde. Bei dieser wirklich starken Photon-Photon-Wechselwirkung verschränken sich die beiden Photonen in Form eines sogenannten Zwei-Photonen-gebundenen Zustands.“
Photonen interagieren normalerweise nicht miteinander, was Licht so gut für die Verwendung in der Kommunikation über Glasfasern macht, da es nur zu einer geringen Informationsverzerrung kommt. Indem diese kleine Anzahl von Photonen jedoch zur Wechselwirkung gebracht wird, können Wissenschaftler den gemessenen Unterschied zwischen wechselwirkenden Photonen und einzelnen Photonen verwenden, um qualitativ hochwertige Messwerte in Fällen zu erhalten, in denen die Verwendung großer Lichtmengen die Probe beschädigen oder keine ausreichende Auflösung erzielen würde, beispielsweise in der Biologie Mikroskopie.
Der Prozess, den die Wissenschaftler verwendeten, um die kleine Anzahl von Photonen zu manipulieren, die stimulierte Lichtemission, ist derselbe Prozess, der Laser antreibt, der viel mehr Photonen verwendet. Diese Manipulationen von Photonen haben eine Reihe erstaunlicher Technologien ermöglicht, darunter GPS, Computer, medizinische Bildgebung und globale Kommunikationsnetze.
Die Forscher planen, weitere Experimente durchzuführen und diese Techniken schließlich zu nutzen, um bessere Quantencomputer herzustellen.
„Wir können die gleichen Prinzipien anwenden, um effizientere Geräte zu entwickeln, die uns photonengebundene Zustände liefern. Dies ist sehr vielversprechend für Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen: von der Biologie über die fortschrittliche Fertigung bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung“, sagte Tomm.
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