Erster photonischer Router der Welt entwickelt
Grafik des Photonen-Routers, in der Mitte das einzelne Atom, das andere Photonen in verschiedene Richtungen lenkt. (© Weizmann Institut)
REHOVOT (im/wi) – Wissenschafter des Weizmann Instituts haben erstmals einen photonischen Router vorgestellt. Er basiert auf einem einzigen Atom und ermöglicht das Routen einzelner Photonen, wie kürzlich im „Science Magazine“ berichtet. Damit ist ihnen ein weiterer Schritt zur Entwicklung eines Quantencomputers gelungen.
Das Kernstück des Geräts ist ein Atom, das zwischen zwei Zuständen umschalten kann. Durch die Entsendung eines Lichtpartikels – oder Photons – über eine optische Faser von rechts oder von links wird ein Zustand eingeschaltet. In Reaktion darauf reflektiert oder übermittelt das Atom dann entsprechend das nächste eintreffende Photon. Wird also ein Photon zum Beispiel von rechts nach links übermittelt, währenddessen ein anderes Photon, das von links kommt, zurück reflektiert wird, kommt es zu einer Umdrehung des atomaren Zustands . In diesem umgedrehten Zustand lässt das Atom die Photonen, die von links kommen, ihren Weg in derselben Richtung fortsetzen, während ein jedes Photon, das von rechts kommt, zurück reflektiert wird, wodurch der atomare Zustand erneut umgedreht wird. Dieser auf einem Atom basierende Schalter wird nur von einzelnen Photonen bedient – ohne dass weitere externe Felder gebraucht werden.
„Eigentlich arbeitet dieses Gerät wie das photonische Equivalent eines elektronischen Transistors, der elektische Strömungen in Reaktion auf andere elektrische Strömungen umschaltet,“ sagt Dr. Barak Dayan, der Leiter der Quantum-Optics-Gruppe des Weizmann Instituts, der auch Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler und Gabriel Gruendleman aus dem Fachbereich Chemische Physik an der Fakultät für Chemie angehören. Die Photonen sind nicht nur die Einheiten, die den Informationsfluss umfassen, sondern sie kontrollieren das Gerät.
Dr. Barak Dayan (2. v. r.) mit seinen Wissenschaftskollegen bei der Arbeit. (© Weizmann Institut)
Diese Errungenschaft ist durch die Kombination zweier hochmoderner Technologien ermöglicht worden. Eine ist dabei die Laserkühlung und das Einfangen von Atomen. Die andere Methode ist die Herstellung von Resonatoren mit Miniaturoptik von höchster Qualität mit einem eingebauten Mikrochip, die direkt an die optischen Fasern angekoppelt sind. Dayans Labor am Weizmann Institut zählt zu den wenigen Laboren weltweit, in denen diese beiden Technologien gemeistert wurden.
Die Hauptmotivation hinter den Bemühungen, Quantencomputer herzustellen ist das Quantenphänomen des Superpositionsprinzips, in dem sich Partikel gleichzeitig in verschiedenen Zuständen befinden können, mit dem Potenzial parallel riesige Datenmengen zu verarbeiten. Aber das Superpositionsprinzip kann nur solange aufrechterhalten werden, solange das System durch nichts beobachtet oder gemessen wird, da es sonst in einen singulären Zustand zurückfällt. Daher sind Photonen die vielversprechendsten Kandidaten für die Kommunikation zwischen den Quantensystemen, da sie keine gegenseitige Wechselwirkung miteinander haben und nur sehr schwach auf andere Partikel reagieren.
Dayan: „Der Weg zur Herstellung von Quantencomputern ist noch sehr lang, aber das Gerät, das wir gebaut haben, hat ein einfaches und sehr robustes System, das sich für die Architektur dieser zukünftigen Computer anwenden lässt. Ein einziges Atom fungiert wie ein Transistor – oder ein Wechselschalter – für Photonen, aber in unseren zukünftigen Experimenten hoffen wir Geräte zu entwickeln, die alleine mit Photonen arbeiten, also neuen Arten von Quantenspeichern oder Logikgattern.“
Dr. Barak Dayans Forschungsarbeit wird finanziert vom Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science. Dr. Dayan hält den Joseph-und-Celia-Reskin-Lehrstuhl inne.
Das Weizmann Institut in Rehovot, Israel, gehört weltweit zu den führenden multidisziplinäaren Forschungseinrichtungen. Seine Wissenschaftler, Studenten, Techniker und anderen Mitarbeiter sind in einem breiten Spektrum naturwissenschaftlicher Forschung tätig. Zu den Forschungszielen des Instituts gehören neue Möglichkeiten im Kampf gegen Krankheit und Hunger, die Untersuchung wichtiger Fragestellungen in Mathematik und Informatik, die Erforschung der Physik der Materie und des Universums und die Entwicklung neuer Werkstoffe und neuer Strategien für den Umweltschutz.
(Weizmann Institut)
