Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der winzigen Grösse des Atoms eine grosse Herausforderung dar. Schickt man das Photon jedoch mehrmals mittels Spiegeln am Atom vorbei, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung wesentlich.

Um Photonen zu erzeugen, verwenden die Forscher künstliche Atome, sogenannte Quantenpunkte. Diese Halbleiterstrukturen bestehen aus einer Ansammlung von zehntausenden von Atomen, verhalten sich aber ähnlich wie ein einzelnes Atom: Werden sie optisch angeregt, ändert sich ihr Energiezustand und sie emittieren ein Photon. «Sie haben jedoch den technologischen Vorteil, dass man sie in einem Halbleiterchip einbetten kann», so Dr. Daniel Najer, der das Experiment am Departement Physik der Universität Basel durchgeführt hat.

System aus Quantenpunkt und Mikrohohlraum

Normalerweise fliegen diese Lichtteilchen wie bei einer Glühbirne in alle Richtungen davon. Für ihr Experiment haben die Forscher den Quantenpunkt aber in einem Hohlraum mit spiegelnden Wänden eingeschlossen. Diese gekrümmten Spiegel werfen das emittierte Photon bis zu 10'000 Mal hin und her, wodurch eine Wechselwirkung von Licht und Materie einsetzt.

Messungen zeigen, dass ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal vom Quantenpunkt emittiert und wieder absorbiert wird. Auf der Quantenebene verwandelt sich das Photon also in einen höherenergetischen Zustand des künstlichen Atoms, worauf wieder ein neues Photon ausgesandt wird. Und zwar sehr schnell, was im Hinblick auf quantentechnologische Anwendungen sehr erwünscht ist: Ein Zyklus dauert nur 200 Picosekunden.

Der Übergang eines Energiequants von einem Quantenpunkt in ein Photon und wieder zurück sei theoretisch gut abgestützt, doch «hat zuvor noch niemand diese Oszillationen so klar beobachtet», sagt Prof. Dr. Richard J. Warburton vom Departement Physik der Universität Basel.

Serielle Wechselwirkung von Licht und Materie

Bedeutend ist das erfolgreiche Experiment vor allem deswegen, weil in der Natur keine direkten Photon-Photon-Wechselwirkungen vorkommen. Eine kontrollierte Wechselwirkung ist aber für eine Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung erforderlich.

Durch die Umwandlung von Licht in Materie nach den Gesetzen der Quantenphysik wird die Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen indirekt möglich – nämlich über den Umweg einer Verschränkung zwischen einem Photon und einem einzelnen Elektronenspin, der im Quantenpunkt gefangen ist. Nimmt man mehrere solche Photonen, lassen sich Quantengatter aus verschränkten Photonen realisieren. Das ist für die Erzeugung von photonischen Qubits, welche Information mittels des Quantenzustands von Lichtteilchen speichern und über weite Entfernungen übertragen können, ein wichtiger Schritt.

Internationale Zusammenarbeit

Technisch stelle das Experiment im optischen Frequenzbereich hohe Ansprüche an die Grösse des Hohlraums, der den Wellenlängen angepasst sein muss, und den Reflexionsgrad der Spiegel, damit das Photon möglichst lange im Hohlraum bleibt.

Die im Experiment verwendeten Quantenpunkte aus dem Halbleiter sowie einen Teil des verspiegelten Hohlraumes wurden von der Gruppe um Prof. Dr. Andreas D. Wieck und Dr. Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum hergestellt; der andere Teil der Hohlraumverspiegelung erfolgte an der Université de Lyon. Theoretische Unterstützung lieferten die Theoriegruppe Quantenoptik um Prof. Dr. Nicolas Sangouard von der Universität Basel.

Finanzielle Mittel für die Basler Forschenden stammen vom NCCR QSIT, dem Schweizerischen Nationalfonds sowie Horizon 2020.