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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Photoeffekt für den Quantencomputer |
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| | | Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit über den so genannten photoelektrischen Effekt, demzufolge Licht seine Energie auf Materie übertragen kann. Dieser Vorgang ist in gewisser Weise dem Zufall unterworfen - deutschen Forschern gelang es nun jedoch, diesen Prozess streng zu kontrollieren. Daraus ergeben sich interessante Anwendungen im Bereich der Quantencomputation. |
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Wie Matthias Keller und Herbert Walther vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching berichten, handelt es sich bei dem Versuchsaufbau um eine kontrollierte Quanten-Schnittstelle zwischen Atomen und Photonen - eine entscheidende Voraussetzung für die Realisierung eines abhörsicheren Quanten-Internet.
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Die Studie "Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system" von Matthias Keller et al. erschien im Fachjournal "Nature" (Band 431, S. 1075 - 1078, Ausgabe vom 28.10.04). |
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 Zum Original-Abstract |
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Jubiläum einer preisgekrönten Entdeckung |
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2005 begeht man weltweit das hundertjährige Jubiläum der Entdeckung des Photoeffektes durch Albert Einstein, für die er schließlich im Jahr 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Durch diese Erkenntnis erfuhr die Quantenhypothese Max Plancks aus dem Jahre 1900 eine weitere entscheidende Stütze.
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Photoeffekt: Große Schwankungen bei wenigen Teilchen |
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Seine Quantenhypothese besagt, dass das Licht in einzelnen winzigen Paketen weitergegeben wird, deren Energie von der Farbe des Lichtes abhängt. Der Photoeffekt erlaubt, die mittlere Anzahl der Pakete bzw. Photonen einer Lichtquelle zu bestimmen.
Bei Glühbirnen sind dies beispielsweise Milliarden von Milliarden von Photonen. Wegen der großen Anzahl fallen die Schwankungen durch die Partikelstruktur des Lichtes nicht auf.
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Zufall "steuert" Emission der Photonen |
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Bei geringen Lichtintensitäten, in Bereichen also, wo man es nur noch mit wenigen Photonen zu tun hat, ist die Schwankung des Photonenstromes jedoch entscheidend.
Dabei zeigt sich, dass die Emission der Photonen durch Atome nicht kontrolliert werden kann und sozusagen dem Zufall überlassen ist - eine der Tatsachen der Quantenphysik, die Einstein nicht akzeptieren wollte und deshalb angenommen hat, die Theorie sei noch nicht vollständig. "Gott würfelt nicht" war seine Aussage.
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Kontrollierte Emission mit Laser |
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Nunmehr ist es einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik tatsächlich gelungen, Emission von Photonen durch Atome zu kontrollieren. Darüber hinaus können sie auch die spektralen Eigenschaften der emittierten Photonen steuern.
Die Forscher bedienen sich dazu einer laserähnlichen Quelle, bei der das aktive Lasermaterial aus einem einzelnen Ion besteht. Ein Ion deshalb, weil es aufgrund seiner Ladung in einer Falle festgehalten werden kann.
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Resonator-Experiment
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Bild: Experimentelle Anordnung zur Einzelphotonerzeugung
Das Ion befindet sich zwischen zwei Spiegeln, dem so genannten Resonator. Angeregt wird es durch einen von der Seite kommenden Laserpuls. Die Emission eines Photons erfolgt gleichzeitig in Richtung der Spiegel.
Die Dauer des Anregungspulses legt auch die spektralen Eigenschaften des Photons fest. Bei einem längeren Impuls ist die Frequenzverteilung schärfer, bei einem kürzeren entsprechend breiter.
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Anwendung: Abhörsichere Kommunikation |
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Dank der vollständigen Kontrolle aller Parameter und der Optimierung der gesamten Anordnung haben Matthias Keller und Kollegen eine hochpräzise Ionenfallen-Spiegel-Kombination verwirklicht.
In dieser wird beispielsweise ein einzelnes Ion mit einer Genauigkeit von nur wenigen Nanometern an seinem Ort festgehalten. Anwendung könnte dieser Ein-Ion/Ein-Photon-Laser in der optischen Kommunikation finden.
Er erlaubt es, völlig abhörsichere Übertragungsstrecken für Nachrichten zu realisieren - die Basis eines abhörsicheren Quanteninternets.
[science.ORF.at, 29.10.04]
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01.01.2010 |
