Der rauschärmste Laser der Welt
Forscher aus Hannover tricksen die Quantenphysik aus und ordnen die Lichtteilchen eines Laserstrahls gleichmäßig an
Einen Laserstrahl von besonderer Güte haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover hergestellt. Dabei haben die Physiker einen Weltrekord in der Kontrolle von Photonen aufgestellt: Es gelingt ihnen, diese Lichtteilchen in einem Laserstrahl gleichmäßig anzuordnen. So senken sie die winzigen quantenmechanischen Intensitätsschwankungen des Lichts, die Physiker Photonenrauschen nennen, um den Rekordwert von 90 Prozent. Mit diesem extrem rauscharmen Laserlicht lässt sich die Empfindlichkeit von Gravitationswellen-Detektoren drastisch erhöhen. Gequetschtes Licht könnte aber auch in der Quantenkryptographie, der abhörsicheren Verschlüsselung von Nachrichten, angewendet werden.
Ein Quelle für gequetschtes Licht: Ein Kristall, der mit grünem Laserlicht bestrahlt wird, kann die Intensitätsschwankungen in einem nicht sichtbaren infraroten Laser reduzieren.
Roman Schnabel / MPI für Gravitationsphysik
Licht ist nicht gleich Licht. Es gibt das normale Licht einer Glühbirne, Laserlicht - und gequetschtes Laserlicht, das besonders hochwertig ist: In einem Strahl gequetschten Lichts halten Physiker die Intensität, also die Zahl der Lichtquanten oder Photonen, über eine bestimmte Zeit beinahe konstant. In einem normalen Lichtstrahl und selbst in einem herkömmlichen Laserstrahl sind diese Quanten zufällig verteilt. So fordert es in der Regel das Zufallsprinzip der Quantenphysik. Mal kommen viele als Gruppe an, mal kommen sie nur vereinzelt. Etwa so, wie bei einem Regenschauer mal mehr und mal weniger Tropfen auf die Erde prasseln. Diese Schwankung der Intensität, die Photonenrauschen heißt, stört bei besonders empfindlichen Messungen.
Physiker des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover haben das Photonenrauschen nun auf ein Zehntel reduziert oder, wie es im Fachjargon heißt: gequetscht. Sie haben damit einen Weltrekord aufgestellt. Wenige Monate zuvor hatten sie bereits einen anderen Weltrekord aufgestellt: Sie haben Lichtteilchen um bis zu eine halbe Sekunde, so lange wie noch nie zuvor, versetzt, um sie gleichmäßig anzuordnen. "Das Zufallsprinzip der Quantenphysik wird dadurch nicht verletzt", sagt Roman Schnabel, Juniorprofessor an der Leibniz Universität Hannover und am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. "Nach wie vor ist das Auftauchen der Photonen nicht vorhersagbar. Doch wir können sie so miteinander verknüpfen, dass sie regelmäßige Abstände annehmen." Diesen Effekt bezeichnen Physiker als Verschränkung.
"Mit unserer Technik werden wir nun die Empfindlichkeit des Gravitationswellendetektors GEO600 deutlich erhöhen", so Schnabel. Und sogar in die wesentlich größeren US-amerikanischen LIGO Detektoren wird die Technik eingebaut. Mit den beiden Detektoren spüren Wissenschaftler den Gravitationswellen nach, wofür sie besonders präzise messen müssen. Weiteres Anwendungspotenzial hat das gequetschte Licht in der optischen Datenübertragung. Mit ihm ließen sich Daten sicher verschlüsseln, weil ein Lauschangriff die regelmäßige Anordnung der Lichtteilchen zerstören würde und daher leicht aufzudecken wäre. "Bei der Anwendung in der Quantenkryptographie stehen wir jedoch noch ganz am Anfang", so Schnabel.
Originalveröffentlichung: Henning Vahlbruch, Moritz Mehmet, Nico Lastzka, Boris Hage, Simon Chelkowski, Alexander Franzen, Stefan Goßler, Karsten Danzmann und Roman Schnabel; "Observation of squeezed light with 10 dB quantum noise reduction"; Physical Review Letters 2008.
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