Quantenschalter und Einzelphotonenwellenleiter

Quantenschalter werden den Grundstein für zukünftige Quantennetzwerke und Quantenkommunikationsanwendungen bilden. Wissenschaftler erkundeten mit EU-Unterstützung des Projekts "A quantum switch for light" (QUSWITCH) die Möglichkeiten der einatomigen Steuerung des Ausgangs-Ports für einfallendes Licht. Das Schalterbauelement war ein optischer Mikroresonator, ein Hohlraum mit reflektierenden Oberflächen, die durch ein optisches Medium getrennt sind.

Die Wissenschaftler nutzten einen Flaschen-Mikroresonator, der Whispering-Gallery-Modi unterstützt. Mikroresonatoren dieses Typs ermöglichen eine starke Kopplung, so dass ein einzelnes Atom auf drastische Weise die Übertragungseigenschaften des Resonators verändern kann. Eingang und Ausgang von Licht wurden durch konisch zulaufende Lichtwellenleiter mit sehr geringem Verlust ermöglicht.

Die Wissenschaftler entwickelten zunächst das Verfahren zum Bereitstellen und Nachweisen des Vorhandenseins eines einzelnen Rubidium-85-Atoms in einem Abstand von etwa 100 nm von der Resonatoroberfläche. Mit diesem Steuerungssystem in der Hinterhand begannen die Forscher mit der Erforschung der Atom-Resonator-Kopplung unter Einsatz von spektralen Methoden. Glücklicherweise entdeckten sie, dass die Atome das Licht im Widerspruch zu den bestehenden Theorien und Prognosen aufgrund der starken Lichtbündelung nur in eine Richtung emittierten. So konnte eine experimentelle Demonstration neuartiger optischer Nano-Wellenleiter erfolgen. Beispielsweise schufen die Wissenschaftler einen faserintegrierten optischen Schalter, bei dem ein einzelnes Atom den Ausgangsport des Whispering-Gallery-Modus-Mikroresonators steuert.

Ferner kann aufgrund der gegebenen nichtlinearen Natur der Atom-Resonator-Kopplung die Photonenzahl dazu genutzt werden, um verschiedene Funktionen ausführen. Das Team konnte einzelne Photonen zu einem anderen Port als zwei gleichzeitig ankommende Photonen lenken.

Zusätzlich nutzten die Wissenschaftler die Tatsache aus, dass der Resonator in Abhängigkeit von der Anzahl der einfallenden Photonen eine andere Phasenverschiebung in dem ausgehenden Licht entlang der Kopplungsfaser erzeugt. Die Forscher wandten dieses Phänomen an, um eine Verschränkung zwischen zwei einfallenden Photonen zu erzeugen.

Die in den QUSWITCH-Experimenten demonstrierte neuartige Licht-Materie-Wechselwirkung ebnet nun den Weg hin zu innovativen, integrierten, Photonikbauelementen im Mikromaßstab sowie optischen Detektions- oder Sensorsystemen. Die maximal starke Photon-Photon-Interaktion bildet die Grundlage der praktischen Anwendung von deterministischen Quantengattern und der Informationsverarbeitung. Somit konnte das Projekt neue Einblicke liefern, an denen grundlegendes Interesse besteht, und denen Bedeutung für innovative zukünftige Anwendungen zukommt.