Basel – Lichtteilchen, auch Photonen genannt, interagieren normalerweise nicht miteinander. Ein internationales Forschungsteam konnte nun erstmals zeigen, dass einige wenige Photonen kontrolliert manipuliert und zur Wechselwirkung gebracht werden können. Das könnte sowohl die medizinische Bildgebung als auch das Quantencomputing voranbringen.
Photonen interagieren im Vakuum nicht miteinander; sie können ungestört durcheinander hindurchfliegen. Das macht sie wertvoll für den Datentransfer, weil Informationen mit Lichtgeschwindigkeit nahezu störungsfrei transportiert werden können. Nicht nur für die Datenübermittlung, sondern auch in gewissen Messinstrumenten ist Licht hilfreich, weil damit winzige Abstände bestimmt werden können, beispielsweise in der medizinischen Bildgebung. Die Sensitivität solcher Messinstrumente ist dabei abhängig von der durchschnittlichen Anzahl der Photonen im System.
Auch wenn Photonen nicht untereinander wechselwirken, so interagieren sie doch mit anderen Materialien, beispielsweise wenn sie durch Glas hindurchfliegen. Diese Interaktion ist normalerweise unabhängig von der Intensität des Lichts. Nur wenn man sehr energiereiches Laserlicht verwendet, beeinflusst die Intensität die Interaktion.
Einen solchen Intensitätseffekt für nur zwei Photonen beschreibt ein Team der Universität Basel, der University of Sydney und der Ruhr-Universität Bochum in der Fachzeitschrift Nature Physics. Sie wiesen nach, dass ein einzelnes Photon etwas langsamer durch ihr Messinstrument flog als zwei Photonen.
Um das Licht auf die beschriebene Weise zu manipulieren, erzeugte das Team in einem Halbleiter einen Hohlraum, welcher die Lichtteilchen festhielt, sowie ein künstliches Atom, einen sogenannten Quantenpunkt. In diesem wurden die Photonen aneinandergebunden, und es entstand ein neuer verschränkter Zustand – eine Art Schicksalsgemeinschaft, in der sich der Doppelpack anders verhält als einzelne Photonen.
Bessere Auflösung und höhere Sensitivität
Solches verschränktes Quantenlicht ermöglicht prinzipiell sensitivere Messungen mit höherer Auflösung. Da die Technik auf wenigen Photonen basiert, wäre sie auch bei lichtempfindlichen Proben von Vorteil, wie sie in der biologischen Mikroskopie häufig vorkommen, wo die aufzulösenden Strukturen zudem sehr klein sind. Die Forschenden hoffen, dass ihre Experimente den ersten Schritt darstellen, um Quantenlicht für Anwendungen nutzbar zu machen.
Die Quantenpunkte stellte das Team um Dr. Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum her. Die Experimente führte die Gruppe um Dr. Natasha Tomm und Prof. Dr. Richard Warburton von der Universität Basel durch. Die theoretischen Grundlagen legte Dr. Sahand Mahmoodian von der University of Sydney und von der Leibniz Universität Hannover.
Die Arbeiten wurden unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds, der Europäischen Union im Rahmen des Horizon 2020-Programms, dem Forschungsfonds der Universität Basel, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie dem Australian Research Council und ARC Centre of Excellence in Engineered Quantum Systems. (Universität Basel/mc/ps)
Dieser Artikel beruht auf einer Medienmitteilung der Ruhr-Universität Bochum.
Originalpublikation
Natasha Tomm, Sahand Mahmoodian, Nadia O. Antoniadis, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Alisa Javadi, Richard J. Warburton
Photon bound state dynamics from a single artificial atom
Nature Physics (2023), doi: 10.1038/s41567-023-01997-6
Forschungsgruppe Prof. Dr. Richard Warburton
Universität Basel