Einen Schritt in Richtung intensives und hochfrequentes Licht, das kontrollierbare Quanteneigenschaften hat, haben Forscher aus Großbritannien, Österreich, den USA und Israel gemacht. Sie stellten kürzlich im Fachjournal "Nature Physics" ihre theoretische Studie vor, bei der quantenphysikalisch verschränkte Strukturen mit starkem Laserlicht in niedriger Frequenz bestrahlt werden. Heraus komme starkes und hochfrequentes Licht, das die strukturierten Quanteneigenschaften erbt.
Quantenfluktuationen als Herausforderung
Zur Beschreibung der Eigenschaften von intensivem Licht reicht es in den meisten Fällen, die Regeln der klassischen Physik anzuwenden. "Aber auf der Mikro- und Nanoskala beginnen sogenannte Quantenfluktuationen eine Rolle zu spielen, die die klassische Physik nicht erklären kann", so der Erstautor der Studie, Andrea Pizzi, von der University of Cambridge (Großbritannien) und der Harvard University (USA) in einer Aussendung. Solche Fluktuationen können nur durch die mitunter bizarren Gesetze der Quantenphysik nachvollzogen werden.
Allerdings sind diese Fluktuationen im Quantenlicht in der Regel völlig ungeordnet, was ihre Untersuchung schwierig mache. Könnte man sie jedoch ordnen, würden sich neue Optionen etwa in der Mikroskopie oder für die Konstruktion von Quantencomputern ergeben.
Theorie entwickelt
Das Team, dem auch Andreas Nunnenkamp von der Fakultät für Physik der Universität Wien angehörte, hat nun eine Theorie entwickelt, wie intensives und hochfrequentes Licht mit Quantenkorrelationen erzeugt werden könnte. Unter dem auch als "Verschränkung" bekannten Phänomen versteht man, dass verschiedene Strukturen miteinander quasi wie durch Geisterhand verbunden sind. Hätte man etwa zwei verschränkte Würfel, und sieht nach, welche Augenzahl sie zeigen, würde man auf beiden das gleiche Ergebnis sehen, egal wie weit die beiden voneinander entfernt sind.
Für den darauf beruhenden neuen Ansatz der Wissenschafter braucht es zuerst einen leistungsstarken Laser, mit dem eine Ansammlung von Atomen (Emitter) angeregt wird, sodass einige der Elektronen aus den Atomen herausgerissen werden. Wenn sich in der Folge diese hochenergetischen Elektronen dann wieder mit den Atomen vereinigen, aus denen sie ursprünglich stammen, wird die überschüssige Energie, die ihnen innewohnte, als Licht abgestrahlt. Im Gegensatz zum eingestrahlten Laserlicht kann das dann ausgestrahlte Licht eine vielfach höhere Frequenz haben.
Laserbeschuss von korrelierten Emittern
Der Clou in der aktuellen Studie der Wissenschafter liegt in den Eigenschaften der Emitter. Das Team ging mit theoretischen Methoden und Computersimulationen der Frage nach, was passieren würde, wenn die Ansammlung von Atomen vor der Emission miteinander verschränkt wären. "Der Zustand eines Teilchens sagt etwas über den Zustand eines anderen aus", so Pizzi.
Unter diesen Voraussetzungen würde das emittierte, hochfrequente Licht die Eigenschaften der Emitter erben und sich anders verhalten, so die Wissenschafter: "Seine Quantenfluktuationen werden höchst strukturiert und damit brauchbarer." Inwiefern sich der Ansatz mit dem Laserbeschuss von korrelierten Emittern auch in Experimenten als zielführend erweist, wollen die Physiker in Zusammenarbeit mit Kollegen nun erproben. (apa)
