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Ein einziges Lichtteilchen als Schalter

August 7, 2014;

Stuttgarter Physikern gelingt weiterer Schritt zum schnellen Quantencomputer

Bauelemente, die Licht nutzen, um zu rechnen, könnten zukünftige Computer schneller und energieeffizienter machen. Forscher des Zentrums für Integrierte Quantenwissenschaften und -technologie (IQST) an der Universität Stuttgart haben nun einen wesentlichen Schritt hin zu einem optischen Transistor geschafft: Mit einem einzigen Lichtteilchen können sie einen schwachen Lichtstrahl wesentlich abschwächen. Darüber berichtete jetzt die Fachzeitschrift Physical Review Letters.*)

Lichtteilchen
Visualisierung eines optischen Transistors,
den die IQST Forscher in ihrem
Experiment realisiert haben.
Abbildung: Universität Stuttgart/PI 5

Der Transistor ist das wichtigste Bauelement jedes Computerchips. Dort dient er als winziger elektronischer Schalter. Anders als etwa bei einem Lampenschalter gibt es aber keinen Knopf oder Schieberegler. Vielmehr steuert eine elektrische Spannung den Stromfluss durch den Transistor. Seit Jahrzehnten werden Computer immer leistungsfähiger, da Transistoren immer kleiner werden, sodass Milliarden davon auf einen Chip passen. Doch in rund zehn Jahren werden Transistoren nicht weiter schrumpfen können. Um dann die Leistung von Rechnern weiter zu erhöhen und gleichzeitig ihren Energiebedarf zu senken, müssen neue Technologien entwickelt werden. Weil Licht sich viel schneller bewegt als Elektronen in einer elektronischen Schaltung, könnten künftige Computergenerationen Licht anstelle von Elektronen zum Rechnen benutzen. Neben Leitungen für Licht bräuchte so ein optischer Computer Transistoren, bei denen der Lichtstrom mit Hilfe eines anderen Lichtstromes gesteuert werden könnte, also ein Analogon zu einem elektronischen Transistor.

Für dieses Ziel müssen integrierte Schaltkreise entwickelt werden, die statt mit elektrischem Strom und elektrischer Spannung mit Lichtströmen arbeiten. Doch dabei gibt es ein Problem. Während sich Elektronen wegen ihrer Ladung stark gegenseitig beeinflussen, ignorieren sich die Elementarteilchen des Lichtes, die so genannten Photonen. Für hypothetische Licht-Transistoren bedeutet dies: ein Lichtstrom kann den anderen nicht umschalten.

Physiker suchen daher nach Techniken, die Photonen dennoch dazu bringen, miteinander zu wechselwirken. Forscher des IQST am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart waren dabei nun erfolgreich. Sie haben einen optischen Transistor gebaut. Seine Besonderheit: Die kleinste denkbare Lichtmenge, nämlich ein einziges Photon, beeinflusst einen Strom aus vielen Photonen. Genauer gesagt, schwächt das Photon den Lichtstrom um 40 Prozent. Die Physiker der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe um Sebastian Hofferberth sendeten Laserlicht durch eine sehr kalte Wolke von einigen Zehntausend Rubidium-Atomen. Zum Schalten dieses Lichtstromes benutzten die Physiker ein so genanntes Rydberg-Atom. Das ist ein Atom, das durch Energiezufuhr mit Laserlicht auf das 10000-fache seiner Ursprungsgröße angewachsen ist.

Aufgrund dieser enormen Größe ist die Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen sehr stark. Eine einzelne Rydberg-Anregung lässt kein weiteres Rydberg-Atom in ihrer Nähe zu und „blockiert“ damit praktisch die gesamte Atomwolke.Solange es in der Wolke kein Rydberg-Atom gibt, reichen die Rubidium-Atome die Photonen des zu steuernden Laserstrahls untereinander weiter, ähnlich wie bei einer Eimerkette. Sobald das Rydberg-Atom in der Wolke präsent ist, wird dieser Transportprozess unterbunden. Die Stuttgarter fanden heraus, dass ein einziges Photon ausreicht um ein Rydberg-Atom zu erzeugen. Bis zu 30 Photonen werden auf diese Weise am Durchqueren der Atomwolke behindert. Unterm Strich bedeutet dies: ein Photon blockiert 30 Photonen.

Dieser Effekt lässt sich im Prinzip für einen Einphotonen-Transistor nutzen, der mit minimalem Energieaufwand einen Lichtstrom schaltet. Damit ließen sich logische Schaltungen für Prozessoren oder für die Datenübertragung per Licht verwirklichen. Hannes Gorniaczyk, Doktorand am Stuttgarter Experiment, sieht noch weitere Anwendungschancen. „Mit unserem Aufbau lassen sich Sensoren für einzelne Rydberg-Anregungen bauen“, sagt der Physiker. Die messbare Abnahme des Lichtstromes bedeutet ja, dass eine solche Rydberg-Anregung vorliegt. Ein solcher Sensor kann also nachweisen, dass ein einziges Photon ein einziges Elektron angeregt hat.

Nun wollen die IQST-Forscher ihr Experiment weiterentwickeln. Ein Ziel ist, das gespeicherte Schalt-Photon unverändert wieder aus der Wolke zu extrahieren. „So wäre es möglich, mehrere Photonen miteinander zu verschränken“, sagt Christoph Tresp, ebenfalls als Doktorand an dem Experiment beteiligt. Verschränkung ist eine enge Verbindung zwischen Quantenobjekten wie Photonen. Sie ist eine entscheidende Ressource für die so genannte Quanteninformationsverarbeitung. Diese weiterentwickelte Form der Informatik nutzt Effekte der Quantenphysik für besonders sichere Verschlüsselungsverfahren oder so genannte Quantencomputer, die bestimmte Rechenaufgaben sehr viel schneller lösen sollen als die leistungsfähigsten herkömmlichen Rechner.

 

*)Originalveröffentlichung:

Hannes Gorniaczyk, Christoph Tresp, Johannes Schmidt, Helmut Fedder, Sebastian Hofferberth: „ Single photon transistor mediated by inter-state Rydberg interaction“, Phys. Rev. Lett. 113, 053601 (2014)

Weitere Informationen:

Sebastian Hofferberth, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-67460, E-Mail: s.hofferberth (at) physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de