In einem kalten Gas eingefangene Lichtimpulse können durch die Gasatome sowohl im Raum transportiert als auch in ihrer Frequenz und ihrer zeitlichen Dynamik verändert werden. Dies zeigt ein amerikanisches Forscherteam der A&M Universität im US-Bundesstaat Texas in einer Veröffentlichung in dem Fachmagazin Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 103601-1). Die neu entdeckte Manipulationstechnik von Lichtimpulsen könnte sowohl zur Herstellung optischer Schaltkreise als auch für Experimente mit Quantenspeichern in Quantencomputern angewandt werden.
Der Experimentaufbau der Wissenschaftler um Marlan Scully besteht aus einem mit ultrakalten Rubidiumatomen gefüllten Tank sowie drei Lasern. Mittels eines Schreiblasers werden die von einem Signallaser ausgesandten Lichtimpulse in dem Gasvolumen auf eine Geschwindigkeit von Null abgebremst: Die Lichtimpulse sind nun in dem Gasvolumen gespeichert. Mittels eines um sechs Millimeter bezüglich des Schreiblasers im Raum versetzten Leselasers kann der gespeicherte Lichtimpuls dann an einem um sechs Millimeter verschobenen Ort ausgelesen werden ? der Lichtimpuls wurde damit durch die Gasatome im Raum transportiert.
Eine Veränderung der Frequenz des Leselaserstrahls erlaubt zudem eine Änderung der Frequenz des gespeicherten Lichtimpulses. Die Forscher demonstrierten auch eine Umkehrung der Richtung des Lichtimpulses, was einer Umkehrung seiner zeitlichen Dynamik gleichkommt (Das Ende des Impulszuges verlässt das Gasvolumen bei einer Richtungsumkehr als erstes.).
Die hier aufgezeigte Manipulation von Lichtimpulsen durch kalte Atome sollte nach dem Willen der Forscher eine Reihe von interessanten Experimenten in der sogenannten Quanteninformatik ermöglichen. Diese Fachdisziplin beschäftigt sich mit Anwendungen der Wechselwirkung zwischen kohärenten Lichtstrahlen und Atomen zur Speicherung und Manipulation von Informationen.
Die Physik hinter dem Experiment von Marlan Scully ist relativ kompliziert. Der Schreiblaser regt elektronische Übergänge zwischen zwei Energieniveaus der Rubidiumatome an. Die Lichtimpulse des Signallasers sind nun mit einem Elektronenübergang zwischen einem dieser Energieniveaus und einem dritten resonant. Durch Quanteninterferenzeffekte wird der Impuls in dem Gas abgebremst und kann durch ein Ausschalten des Schreiblasers in diesem gefangen werden. Ein Einschalten des Schreiblasers würde den gefangenen Impuls nun wieder freisetzen.
Wenn stattdessen nun der räumlich versetzte Leselaser eingeschaltet wird, wird der Lichtimpuls nur durch die in der Zwischenzeit zum Ort des Leselaserstrahls diffundierten Atome freigesetzt. Die Amplitude des im Raum transportierten Lichtimpulses ist damit geringer als die des ursprünglichen Impulses. Eine Veränderung der Frequenz des Leselasers erlaubt des weiteren die Freisetzung des gefangenen Impulses mit einer der beiden Frequenzen des angeregten Elektronenübergangs der Rubidiumatome.
Stefan Maier
