Technische Innovation

Neue Lichtform entdeckt: Wichtige Rolle bei Kodierung von Quanteninformation denkbar

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Die erstmalige Verbindung von Photonen zu molekülähnlichen Dreiergruppen könnte weitreichende Folgen für Quantencomputer haben.

Der Kampf zwischen Luke Skywalker und seinem Vater gehört zu den epischsten der Filmgeschichte. Abseits der Leinwand galt dieses Duell mit Lichtschwertern bislang allerdings als eher unrealistisch. Denn kreuzen sich zwei Lichtstrahlen – etwa die zweier Taschenlampen in der Dunkelheit –, werden sie weder abgeschwächt, noch verstärken sie sich oder lenken sich gegenseitig ab. Stattdessen geschieht: nichts.

Denn Photonen sind nicht nur ubiquitär, schnell und schwerelos, sie sind vor allem auch notorische Einzelgänger, die nicht miteinander interagieren. Würden Lichtteilchen miteinander in Verbindung treten, verstieße dies gegen die Naturgesetze. So lautete zumindest die bis vor einigen Jahren gängige Theorie.

Wechselwirkung in Rubidium-Wolke

Bereits 2013 haben Forscher jedoch erstmals beobachtet, dass Photonen tatsächlich einen zuvor für unmöglich gehaltenen Zustand einnehmen können. Denn nachdem sie diese in Experimenten mittels eines schwachen Laserstrahls durch eine Wolke extrem kalter Rubidium-Atome gelenkt hatten, traten die Lichtteilchen am anderen Ende teilweise in Paaren wieder aus. Die dabei ablaufenden physikalischen Prozesse sind dem Phyiker Vladan Vuletic zufolge vergleichbar mit dem, was sich in Lichtschwertern abspielen müsste.

Qualitative Beschreibung der Entstehung von Photonen-Dreiergruppen. Bild: Science mag – Qi-Yu Liang

In ihrer aktuellen Arbeit ging das gleiche Team nun der Frage nach, ob Photonen nur paarweise interagieren können, oder ob sie sich vielleicht sogar zu größeren „Molekülen“ zusammenbringen lassen würden. Hierzu nutzten die Wissenschaftler einen ganz ähnlichen Versuchsaufbau wie zuvor, allerdings registrierten sie diesmal nicht nur die Reise der Photonen, sondern auch ihre Phase vor und nach dem Flug durch die Rubidium-Wolke. Anhand der Phasenverschiebung konnten sie ableiten, ob und mit wie vielen anderen Lichtteilchen die Photonen in Wechselwirkung traten.

Photonen bilden Dreiergruppen

So stellten sie fest, dass teilweise molekülähnliche Dreiergruppen entstanden waren. In diesem komplett neuen Zustand verhielten sich die Lichtteilchen plötzlich, als hätten sie eine geringe Masse und flogen zudem rund 100.000 Mal langsamer als normalerweise. Der Physiker Sergio Cantu erklärt: „Das Spannende daran ist, dass die Photonen sich an das, was in der Wolke passiert, offenbar ‘erinnern’“. In der Folge blieben die Lichtteilchen – auch nachdem sie diese wieder verlassen hatten – weiterhin miteinander verknüpft.

Die photonsichen Trimere sind erstaunlicher Weise sogar stärker miteinander verbunden als Photonen-Paare.

Dem Massachusetts Institute of Technology zufolge gibt es für diese neue Form des Lichts zahlreiche denkbare Anwendungsgebiete. „Photonen bewegen sich sehr schnell über große Distanzen und werden deshalb bereits für die Informationsübertragung über Glasfaser benutzt“, so der Studienleiter Vladan Vuletic. Die „Lichtmoleküle“ könnten darüber hinaus aber beispielsweise auch genutzt werden, um Quanteninformationen zu kodieren und so eines Tages eine ultrasichere Kommunikation mit praktisch „unhackbaren“ Netzwerken zu ermöglichen.

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