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08.09.2014

Ultrakalte Wolke für optische Transistoren

Ultrakalte Wolke für optische Transistoren

Über große Entfernungen werden Daten heute üblicherweise mit Hilfe von Licht in Glasfaserkabeln transportiert. Dies ermöglicht hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei einem gleichzeitig geringen Verlust an Leistung.

Seit langem wird daran gearbeitet, auch die Verarbeitung der Daten mit optischen Transistoren und optischen Logikgattern rein optisch zu gestalten. Vor allem für die Übertragung von Quanteninformation ist dies von großem Interesse, denn hier werden die Informationen oft in schwachen Lichtpulsen, im Grenzfall einem einzigen Photon, gespeichert. Wissenschaftlern ist es nun gelungen, mit einer ultrakalten Wolke aus Rubidium-Atomen einen optischen Transistor zu realisieren, der Signaländerungen von nur einem Lichtquant auf das 20fache verstärkt.

Bei einem optischen Transistor ist das Eingangssignal ein Lichtpuls, der sogenannte Gatter-Puls, der die Durchlässigkeit eines „Mediums“ für einen zweiten sogenannten Target-Puls bestimmt. Dieses Medium wird in dem hier beschriebenen Experiment durch eine Wolke aus rund 150 000 Rubidium-Atomen dargestellt, die in einer aus zwei Laserstrahlen gebildeten Dipolfalle bei einer Temperatur von ca. 0,30 Mikrokelvin (das ist dicht oberhalb des absoluten Temperaturnullpunktes, Null Kelvin entspricht minus 273 Grad Celsius) mehrere Sekunden lang festgehalten werden kann. Der Effekt der „Elektromagnetisch Induzierten Transparenz (EIT)“, bei der ein Kontroll-Laser die Wechselwirkung mit dem schwachen Lichtpuls steuert, macht die atomare Wolke für Lichtpulse bestimmter Frequenzen durchlässig.
Die atomare Wolke wird nun mit zwei Lichtpulsen gleicher Farbe (795 nm) bestrahlt, die in einem Abstand von zwei Mikrosekunden aufeinander folgen. Der erste Lichtpuls – der sogenannte Gatter-Puls – ist extrem schwach und enthält im Mittel weniger als ein Photon.

Zusammen mit dem Kontrolllaser versetzt er ein Atom in einen hochangeregten Rydberg-Zustand, bei dem ein Elektron sehr weit vom Atomkern entfernt ist. Diese einzelne Anregung hat eine weitreichende Wirkung: Allein durch die Gegenwart des Rydberg-Atoms verschieben sich die entsprechenden Energieniveaus aller anderen Atome in dem Quantengas. Der zweite Lichtpuls, der weit intensiver als der – in Form einer Rydberg-Anregung gespeicherte – Gatter-Puls ist, hat nun für die Atome nicht mehr die passende Farbe und wird daher von den Atomen abgeblockt.

Die entscheidende Neuerung bei dem aktuellen Experiment war, dass der Kontroll-Laser des Target-Pulses eine andere Wellenlänge hat als der Gatter-Kontrolllaser. So verhindert man, dass der Target-Puls an den Gatter-Puls koppeln und diesen auslesen kann, selbst bei relativ langen Pulsdauern.

Eine weitere Änderung bestand darin, die Rydberg-Zustände gezielt so auszuwählen, dass eine Förster-Resonanz auftritt, bei der Anregungsenergie strahlungslos und sehr effizient zwischen benachbarten Atomen übertragen werden kann. Die Förster-Resonanz verstärkt den Effekt der Rydberg-Blockade, die ja Ursache für das Abstoppen des Target-Pulses ist. Darüber hinaus ist bei den hier gewählten Hauptquantenzahlen für die Rydberg-Zustände auch die Selbstblockade der Photonen in dem Target-Puls kleiner als in unserem früheren Experiment. Mit all diesen Maßnahmen konnten wir die Dauer der Target-Pulse um zwei Größenordnungen, auf rund 200 Mikrosekunden steigern.

Durch Vergleich der Intensitäten der ausgelesenen Target-Pulse mit und ohne voraus gegangenem Gatter-Puls (aus nur einem Photon) konnte die jeweils erfolgte Reduzierung des Target-Signals bestimmt werden. Bei der Förster-Resonanz konnte man eine Abschwächung des Signals um 20 Photonen, also eine Verstärkung von 20 beobachten. Dies ermöglicht es, – zumindest im Prinzip – solche Transistoren zu kaskadieren und damit komplizierte Rechenaufgaben auszuführen. Darüber hinaus konnte bereits jetzt experimentell gezeigt werden, dass man wegen der hohen Verstärkung im Stande sind, schon mit einem einzigen Schuss nachzuweisen, ob in der atomaren Wolke eine Rydberg-Anregung abgespeichert ist, und zwar ohne sie zu zerstören.

Mehr Informationen:
www.mpq.mpg.de

 
 
 
 
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