Wie Lichtteilchen uns hinters Licht führen

Quantenoptik im Spiegel der Illusion.

Wissenschaftlern der Universität Rostock ist es gelungen, das Verhalten von gepaarten Lichtteilchen in optischen Schaltkreisen zu steuern. Abhängig von der Beobachtungsperspektive konnten die Forscher ein fundamental widersprüchliches Verhalten der Lichtteilchen erzeugen. Die Forschungsergebnisse, die die Entwicklung zukünftiger Computergenerationen voranbringen können, wurden im renommierten Fachjournal „Nature Photonics“ veröffentlicht.

„Die zersägte Jungfrau“, das Kaninchen aus dem Hut, und scheinbar schwebende Gegenstände — keiner dieser Klassiker darf im Zirkus-Repertoire eines Illusionisten fehlen, der etwas auf sich hält. Bekanntermaßen beruhen solche Kunststücke aber keineswegs auf übernatürlichen Fähigkeiten, sondern entspringen einer Kombination aus Schnelligkeit, Geschick und ausgeklügelten Täuschungsmanövern, mit dem Ziel, das staunende Publikum von den ganz realen Vorgängen auf der Bühne abzulenken. „Die physikalischen Grundgesetze kann man nicht aushebeln. Doch auch in der Physik muss man genau hinsehen, um sich von der Natur nicht hinters Licht führen zu lassen“, bemerkt Professor Alexander Szameit mit Blick auf die jüngsten Forschungsergebnisse seines Teams. Er und seine Gruppe an der Universität Rostock spezialisieren sich auf die Nutzbarmachung von Licht für neue Technologien. Bereits heute ist Licht mit seinen vielfältigen Anwendungen aus vielen Bereichen des Alltags – beispielsweise in der Materialforschung und -bearbeitung, der Biomedizin oder beim Versenden gigantischer Datenmengen in Glasfaserkabeln – kaum noch wegzudenken. „In naher Zukunft wird Licht auch die Computertechnologie auf den Kopf stellen“, prophezeit Szameit im Hinblick auf seine Grundlagenforschung am Rostocker Institut für Physik.

Die Quantenoptik macht sich das zuweilen magisch erscheinende Verhalten der kleinsten Lichtportionen – der Photonen – zunutze. „Der Illusionist in der Quantenoptik kommt dann zum Vorschein, wenn er den Photonen, also den Kaninchen, die Gelegenheit einräumt, zu verschwinden“, skizziert Szameit den faszinierenden quantenphysikalischen Sachverhalt und führt weiter aus: „Selbst, wenn Photonen ganz sicher nicht verloren gegangen sind, ändert allein die Möglichkeit des Verschwindens ihr Verhalten ganz grundlegend.“ Dr. Matthias Heinrich, Koautor und Mitarbeiter in Szameits Team, konkretisiert: „Paare von Lichtteilchen sind gewöhnlich fast unzertrennlich. Macht man ihnen jedoch das Leben schwer, indem man einige Photonen im Experiment verschwinden lässt, ihnen physikalisch gesprochen also Verluste zufügt, scheint es, als gingen sich die Photonen auf einmal aus dem Weg.“ Diese gegensätzlichen Verhaltensweisen sind normalerweise die Markenzeichen zweier verschiedener Klassen von Elementarteilchen: Bosonen, zu denen auch die Lichtteilchen zählen, sind für ihre Geselligkeit bekannt und treten als Pulk auf (engl. „bunching“), während Fermionen, die Grundbausteine von Materie, ebendies tunlichst vermeiden (engl. „anti-bunching“).

Die Rostocker Physiker steuern die Ausbreitung von Lichtteilchen in Glaschips mithilfe lasergefertigter Schaltkreise. Hierbei konnte das Forscherteam die Polarisation – also die Schwingungsrichtung der Lichtteilchen – gezielt nutzen. „Die Polarisation entspricht in unseren Experimenten der Perspektive, mit der wir auf das Photonenpaar schauen“, erklärt Max Ehrhardt, Doktorand und Erstautor der Arbeit. „Aus dem einen Blickwinkel erscheinen die Photonen ganz herkömmlich wie Bosonen. Schaut man aber senkrecht dazu drauf, kommen Fermionen zum Vorschein“, schildert der Wissenschaftler seine verblüffenden Beobachtungen im Labor. Szameit vertieft: „Es kommt einem fast so vor, als käme man einem gewieften Illusionisten auf die Schliche. Dabei muss man ja in der Regel auch die richtige Perspektive wählen, damit der Trick offensichtlich wird. Und das ist selten diejenige, welche man gezielt präsentiert bekommt.“

Die Auswirkungen dieses bisher unbekannten Verhaltens sind allerdings ganz real, und so wirft diese bedeutende Entdeckung ein neues Licht auf das noch junge Forschungsgebiet der so genannten nicht-hermiteschen Quantenoptik, in der es den Photonen erlaubt ist – anders als in der herkömmlichen Quantenoptik – sich zu vervielfältigen oder zu verschwinden. Während Elementarteilchen für gewöhnlich klar als Bosonen oder Fermionen erkennbar sind, ist diese Einordnung in verlustbehafteten Strukturen mit den herkömmlichen Methoden nicht mehr ohne weiteres möglich. Hier sieht Szameit eine Chance: „Ungewollte Verluste durch die Absorption von Lichtteilchen sind bekanntermaßen allgegenwärtig. Zum Beispiel blockiert Fensterglas zehn bis zwanzig Prozent der Lichtteilchen, die es passieren wollen. Getönte Scheiben sogar deutlich mehr. Wenn wir ein solches Verhalten in der Quantenoptik beobachten können, heißt das, dass dadurch auch kleinste verborgene Photonen-Verluste mit hoher Präzision aufgespürt werden können.“ Genau dies wird für Design und Fehlerkontrolle von Quantenprozessoren in zukünftigen Computer-Generationen von großer Bedeutung sein. Denn bisherige Quantenprozessoren setzen fundamental eine konstante Teilchenzahl voraus – das zufällige „Verschwinden“ eines informationstragenden Teilchens führt zwangsläufig zum Abbruch der jeweiligen Rechenoperation. Bis diese neuartigen Messmethoden in zukünftige lichtbasierte Quantentechnologien integriert werden können und damit auch Einzug in unser Leben erhalten, sind zwar noch einige Hürden zu überwinden. Angesichts des rapiden wissenschaftlichen Fortschritts scheinen aber auch diese nach Science-Fiction klingenden Ziele bereits in greifbarer Nähe.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Europäischen Union und der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung gefördert.

Die Original-Veröffentlichung in „Nature Photonics“ ist unter DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-021-00943-3 verfügbar.

Bildunterschriften:
Künstlerische Darstellung einer perspektivabhängigen Messung: Eine komplexe Struktur in der Mitte wird von verschiedenen Richtungen aus betrachtet. In den seitlichen Spiegeln entspricht die Form dem griechischen Buchstaben Λ („Lambda“), während sie im hinteren Spiegel als griechischer Buchstaben Σ („Sigma“) erscheint. Die wahre Gestalt hingegen erschließt sich erst aus einer neuen Perspektive.

v.l.: Professor Alexander Szameit, Dr. Matthias Heinrich und Max Ehrhardt – die Autoren des Beitrags. (Foto: Universität Rostock/Julia Tetzke).

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Szameit
AG Experimentelle Festkörperoptik
Institut für Physik
Universität Rostock
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E-Mail: alexander.szameit@uni-rostock.de

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