Quantensensor zur Messung von Lichtteilchen

Quantensensor für Lichtteilchen (c) Klemens Schüppert

By Hildegard Suntinger

Forschende an der Universität Innsbruck entwickelten einen Quantensensor, der die zerstörungsfreie Messung von Lichtteilchen ermöglicht. In Zukunft könnten damit auch die Quantenzustände des Lichts gemessen werden.

Die Erwartungen an die Quantenphysik sind groß. Weltweit fließen Milliarden in die Forschung. Profiteur der ersten Quantenrevolution war die Mikro-Elektronik, die unter anderem das Smartphone ermöglichte. In der zweiten Quantenrevolution geht es jetzt um die Entdeckung des Quantencomputers. An der Universität Innsbruck arbeitet Tracy Northup in dem vielversprechenden Feld. Sie forscht an der Entwicklung des Quanteninternets. Dabei baut sie Schnittstellen, mit denen Quanteninformation von Materie auf Licht übertragen werden kann – und umgekehrt. Über diese Schnittstellen sollen Quantencomputer auf der ganzen Welt durch Glasfaserleitungen miteinander kommunizieren können. Das ist die Zukunft.

Zerstörungsfreie Messung von Lichtteilchen

Aktuell entwickelte die Forscherin einen Quantensensor für Lichtteilchen. Ausgangsposition war der Photodetektor, der Licht in ein elektrisches Signal wandelt. Allerdings geht dabei das Licht verloren. Bei Northups Quantensensor bleibt das Licht erhalten und die Lichtteilchen können zerstörungsfrei gemessen werden.

“Photodetektoren sind ausgezeichnete und erschwingliche Messgeräte für Licht und in den meisten Fällen ist es kein Problem, dass das Licht bei der Messung verloren geht, das heißt vom Photodetektor absorbiert wird. Wenn man jedoch die Quanteneigenschaften von Licht wahrnehmen will, kann es wichtig sein, das Licht während des Prozesses nicht zu zerstören und es nur minimal durch die Messung zu stören. Das ist es, was unsere Methode bieten kann.” Tracy Northup

Im Experiment wurde ein elektrisch geladenes Kalziumatom (Ion) zwischen zwei Hohlspiegeln platziert und sichtbares Laserlicht durchgeleitet. Das Ion nimmt nur schwachen Einfluss auf das Licht. Wie Northup erklärt, ermöglicht diese Methode Quantenmessungen am Ion – und statistische Aussagen über die Zahl der Lichtteilchen in der Kammer. Bei der Interpretation der Messergebnisse wurden die Physiker von der Arbeitsgruppe um den Innsbrucker Quantenoptiker Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik unterstützt.

Ein Szenario, in dem der Quantensensor angewendet werden kann, ist die Erzeugung von Quantenlichtzuständen. Diese sind in der Praxis nur schwer zu erzeugen. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen für solche Zustände in den Bereichen Quanteninformations-Verarbeitung und Quantencomputer.

Erzeugung von speziellen Lichtfeldern

In der Laborarbeit beschränkten sich Northup und ihr Team vom Institut für Experimentalphysik zunächst auf klassische Zustände. In Zukunft könnte der Quantensensor aber auch für die Messung der Quantenzustände von Licht genutzt werden. Northup: “Wir gehen davon aus, dass es bereits möglich ist, aber um dies zu tun, müssen wir unser Experimentalsystem erst modifizieren.”

In der Quantenoptik gibt es bestimmte Kriterien, nach denen man bestimmen kann, ob es sich um klassisches oder Quantenlicht handelt, erklärt die Forscherin. Eines dieser Kriterien ist,

ob die Statik des Lichts durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben werden kann (in diesem Fall ist das Licht klassisch);
oder ob es dafür eine Quasi-Wahrscheinlichkeitsverteilung mit negativen Wahrscheinlichkeiten (Quantum) braucht;

“Nach diesen Kriterien sind die Zustände, die wir in unseren Experimenten gemessen haben, klassisch und nicht quantitativ. Dennoch ist die Technik, die wir demonstriert haben, für die zerstörungsfreie Messung beider Zustände gültig, klassischer und quantitativer.” Tracy Northup

Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Der Forschungsansatz des Innsbrucker Forschungsteams geht auf Serge Haroche zurück, der gemeinsam mit David Wineland den Physik-Nobelpreis 2012 für die Erforschung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zugesprochen bekam.

Die US-Amerikanerein Northup hält seit 2017 eine Ingeborg-Hochmair-Frauenprofessur an der Universität Innsbruck. Hochmair gilt als Pionierin im Bereich der Hörimplantante und fördert mit der Professur gezielt Frauenkarrieren.

In Northups Team waren unter anderem Postdoc Moonjoo Lee und PhD-Student Konstantin Friebe. Das Projekt wurde unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) und der Europäischen Union unterstützt.

Hier finden Sie den Link zum Artikel im Fachmagazin Physical Review Letters.