Von Experimenten mit einzelnen Atomen zu Quellen für Quantenlicht

Walther, Herbert | Von Experimenten mit einzelnen Atomen zu Quellen für ...
Tätigkeitsbericht 2004
Hochenergie- und Plasmaphysik/Quantenoptik
Von Experimenten mit einzelnen Atomen zu Quellen für Quantenlicht
Walther, Herbert
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Emeritusgruppe - Laserphysik
Korrespondierender Autor: Walther, Herbert
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Als die Quantenphysik entwickelt wurde, war es völlig undenkbar, jemals Quantenvorgänge einzelner
Atome beobachten zu können. So war die Diskussion in diesem Zusammenhang immer nur auf
Gedankenexperimente beschränkt, und die Quantenmechanik war in der Konzeption, dass
Wahrscheinlichkeitsaussagen nur für ein Ensemble gemacht werden, völlig ausreichend. Die Methoden
der Laserspektroskopie haben es in den letzten Jahren jedoch möglich gemacht, einzelne freie Atome
und auch einzelne Moleküle in Festkörpern zu beobachten und insbesondere deren Quantenverhalten zu
verfolgen. Die Möglichkeit, das Vakuumfeld zu manipulieren, das bei der Quantisierung des
Strahlungsfeldes ins Spiel kommt, hat weitere interessante Experimente eröffnet. Somit gelingt es heute,
die Quantenvorgänge sowie deren äußere Beeinflussung an einzelnen Atomen zu verfolgen und
Phänomene sichtbar zu machen, die sich bei der Beobachtung mehrerer Atome nicht zeigen oder
herausmitteln würden. Die Tatsache, dass das Vakuumfeld manipuliert werden kann, hat zu einem neuen
Forschungsgebiet geführt, das den Namen Resonator-Quanten-Elektrodynamik erhalten hat. Die
Experimente, die am MPQ auf diesem Gebiet durchgeführt worden sind, haben die Grundlage dieses
Gebietes gelegt. Sie haben zur Beobachtung einer Reihe neuer Ergebnisse geführt, die im Folgenden
zusammenfassend beschrieben werden.
Abstract
When quantum physics was developed, it was absolutely inconceivable that quantum processes of single
atoms could ever be observed. Discussion of the subject was thus always confined to gedanken
experiments and quantum mechanics simply made do with the conception that probabilities can only be
stated for an ensemble. In recent years, however, the methods used in laser spectroscopy have made it
possible to observe single free atoms and also single molecules in solids and, in particular, to trace their
quantum behaviour. The ability to manipulate the vacuum field that comes into play in quantisation of
the radiation field has afforded further interesting experiments. It is thus possible nowadays to trace the
quantum processes and their external influence in single atoms and make phenomena visible that to not
occur in the observation of several atoms or that would be averaged out. The fact that the vacuum field
can be manipulated has yielded a new field of research named resonator quantum electrodynamics. The
experiments conducted at MPQ in this area laid the foundation. They have led to the observation of a
series of new results, which are summarised int he following
Zunächst soll auf die Experimente mit dem Ein-Atom-Maser eingegangen werden. Ein wesentliches
Resultat dieser Experimente ist es, dass es erstmals gelungen ist, die Quantenzustände (Fock-Zustände)
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eines elektromagnetischen Feldes im Dauerbetrieb zu erzeugen. Im Ein-Atom-Maser-Feld konnten auch
die diskreten Quantenzustände der Strahlung erstmals direkt sichtbar gemacht werden.
Diese Zustände, die durch die Anzahl der Energiequanten charakterisiert werden, haben kein klassisches
Analogon und existieren somit nur in einer Quantenbeschreibung. Sie haben die Eigenschaft, dass die
dem Quantenfeld zugeordnete Amplitude keinerlei Schwankung zeigt und deshalb auch kein Rauschen
vorhanden ist, dagegen ist die Phase des Feldes völlig unbestimmt. Die Zustände werden in der Theorie
als Basiszustände der Quantenfelder herangezogen, sie konnten jedoch bisher noch nicht experimentell
realisiert werden.
Dem Ein-Atom-Maser liegt vom Prinzip her das einfachste System zugrunde, das sich im Zusammenhang
mit der Strahlungs-Atom-Wechselwirkung untersuchen lässt: Ein einzelnes Atom wechselwirkt mit
einem einzelnen Schwingungszustand eines Resonators. Dieses Problem lässt sich theoretisch exakt
behandeln und ist deshalb sehr gut geeignet, um die Quantenvorgänge und insbesondere die zugehörigen
Messprozesse zu studieren.
Im Rahmen der Quantenbehandlung der Strahlungs-Atom-Wechselwirkung werden die spontanen
Übergänge eines Atoms durch die Vakuumfluktuationen hervorgerufen, die dem Grundzustand des
quantisierten Strahlungsfeldes entsprechen. Man kann deshalb auch die spontane Emission von Atomen
beeinflussen, indem man die Spektralverteilung des Vakuumfeldes modifiziert - am einfachsten durch
den bereits erwähnten Resonator, der die Modendichteverteilung bei bestimmten Frequenzen anhebt und
bei anderen Werten absenkt. Stimmt eine der Resonanzfrequenzen mit der atomaren Übergangsfrequenz
überein, so steigt die Emissionsrate, und die Lebensdauer der angeregten Zustände verkürzt sich. Im
anderen Falle, wenn Resonator- und Atomfrequenz nicht übereinstimmen, kommt es entsprechend zu
einer Unterdrückung des Spontanzerfalls. Neben der Veränderung des Spontanzerfalls kann der
Resonator noch eine weitere Aufgabe übernehmen: Das spontan abgegebene Photon wird gespeichert,
sodass es zu einem mehrmaligen periodischen Austausch der Energie zwischen Atom und Resonator
kommt, während das Atom durch den Resonator fliegt. Auf diese Weise lässt sich die Dynamik der
Wechselwirkung detailliert studieren. Damit das emittierte Photon für eine hinreichend lange Zeit
gespeichert werden kann, müssen verlustfreie Resonatoren verwendet werden. Bei den Experimenten
sind dies supraleitende Resonatoren aus Niob. Ist der Fluss der Atome durch den Resonator so gewählt,
dass mehr als ein Atom pro mittlere Speicherzeit eines Photons den Resonator passiert, so baut sich ein
Gleichgewichtsfeld, d. h. ein Maserfeld, auf.
Abbildung 1 zeigt das Prinzip der Anordnung des Ein-Atom-Masers (Maser ist das Acronym für einen
Atom- oder Moleküloszillator im Mikrowellenbereich). Bei den Messungen befindet sich maximal nur
ein Atom im Resonator, da die Wechselwirkungszeit mit dem Resonator so gewählt wird, dass sie
wesentlich kürzer ist als der Zeitabstand zwischen aufeinander folgenden Atomen. Deshalb spricht man
bei der Anordnung von einem Ein-Atom-Maser.
Da die Wechselwirkungszeit der Atome mit dem Resonator sich durch die Vorwahl ihrer
Geschwindigkeit festlegen lässt, ist es möglich, die Dynamik der Wechselwirkung der Atome mit dem
Maserfeld zu kontrollieren, insbesondere lässt sich ein Messprozess realisieren, der praktisch ohne
messbare Rückwirkung auf das Maserfeld abläuft. Normalerweise wird bei der Messung eines Photons
dieses vernichtet. Bei der hier beschriebenen Anordnung ist das nicht der Fall, da bei der richtigen
Geschwindigkeit ein Atom, das im angeregten Zustand in den Resonator eintritt, diesen wiederum im
angeregten Zustand verlässt, nachdem es genau ein Photon emittiert und wieder reabsorbiert hat. Es
erfolgt somit eine Messung des vorhandenen Feldes über den Photonenaustausch, ohne das Feld zu
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ändern. Die in dieser Situation beobachteten Fluktuationen in der Photonenzahl sind deshalb besonders
klein, viel geringer als bei den üblichen Maser-Anordnungen.
Abb. 1 : Schema des Ein-Atom-Masers. Rubidium-Atome werden kurz vor Eintritt in den zylindrischen Resonator
mit Laserlicht in einen hochangeregten Rydberg-Zustand gebracht. Der Maserübergang erfolgt zwischen
benachbarten Rydberg-Zuständen. Der Nachweis der Atome geschieht über Ionisation in einem externen
elektrischen Feld hinter dem Resonator. Die Feldionisation ist zustandsselektiv, sodass oberer und unterer
Maserzustand in verschieden starken externen Feldern ionisiert werden. Eine Geschwindigkeitsuntergruppe der
Atome wird über den Einstrahlwinkel des monochromatischen Laserlichts selektiert. Die mittlere Speicherzeit eines
Photons im Resonator beträgt aufgrund der hohen Güte des Resonators etwa 0, 2 s.
Bild : MPI für Quantenoptik
Diese Minima sind die Quantenzustände des Atom-Resonator-Systems und werden durch die
Photonenzahl und die Anzahl der Photonenaustauschprozesse beim Durchgang des Atoms durch den
Resonator charakterisiert. In unseren Experimenten gelang es erstmals, diese Zustände nachzuweisen.
Man spricht von "Trapping States", da sich das Maser-System durch einen Rückkopplungsmechanismus
mit dem Feld selbst auf diese Zustände stabilisiert, d. h. "einfängt". Das Feld bei jedem dieser Minima
entspricht einer bestimmten konstanten Photonenzahl, die den Quantenzuständen des
elektromagnetischen Feldes entsprechen. Abbildung 2 zeigt die Trapping States als steile Täler in der
Photonenzahlverteilung des Maserfeldes.
Die Untersuchungen zum Ein-Atom-Maser und zur Resonator-Quantenelektrodynamik haben bereits zu
weitreichenden praktischen Anwendungen geführt. Ein Beispiel ist der Mikrolaser, der zwar nicht auf
einzelnen Atomen beruht, jedoch auf der Tatsache, dass die Spontanübergänge des Systems in einem
Resonator kontrolliert werden können. Bei einem normalen Lasersystem bestimmen die
Spontanübergänge einen Hauptteil der Verluste des Lasersystems; außerdem tragen sie zu den
Schwankungserscheinungen, d. h. zum Rauschen des Laserlichts bei. Gelingt es, die spontane Emission
zu kontrollieren, so lässt sich die Effizienz der Lasersysteme wesentlich erhöhen. Dies konnte mit
Halbleiter-Mikrostrukturen demonstriert werden. Die Resonatoren dieser Laser haben einen
Spiegelabstand von der Größenordnung der Wellenlänge. Neben einer Kontrolle der Spontanemission
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kommt es deshalb auch zu einer Modifikation der Winkelverteilung der emittierten Strahlung, die sich
aus der Feldverteilung für einen solchen Resonator niederer Ordnung ergibt. Dies führt zu einer
gerichteten Strahlung auch ohne stimulierte Prozesse. Die Mikrolaser werden aufgrund ihres hohen
Wirkungsgrades heute bereits in der optischen Kommunikation eingesetzt.
Abb. 2 : Mittlere Photonenzahl des Maserfeldes als Funktion der Wechselwirkungszeit tint und der Pumprate Nex
der Atome. Die scharfen Täler erzeugen die Trapping States. Abhängig vom Trapping State gibt es einen optimalen
Fluss Nex. Die Kurve wurde durch Simulation der Vorgänge im Ein-Atom-Maser erhalten; diese Ergebnisse sind
experimentell für die Feldzustände mit Photonenzahlen bis 5 bestätigt worden.
Bild : MPI für Quantenoptik
Bei den Experimenten mit dem Ein-Atom-Maser bewegen sich die Atome durch den Resonator; dies
führt zu zwei Komplikationen im Experiment, die einmal dadurch bedingt sind, dass die Wechselwirkung
mit dem Resonatorfeld einer zeitlichen Veränderung unterliegt und zum anderen, dass der
Eintrittszeitpunkt der Atome in den Resonator nicht kontrolliert werden kann. Die Statistik der Atome
führt zu Schwankungen in ihrer Flussdichte, die zu Störungen führen können. Aus diesem Grunde ist
man an einem System interessiert, bei dem das Atom im Resonator festgehalten wird.
Eine solche Anordnung ist kürzlich im Max-Planck-Institut für Quantenoptik realisiert worden. Dazu
wird ein Ion in einer Paul’schen Ionen-Falle festgehalten und in den Resonator transportiert. Das Prinzip
der Anordnung ist in Abbildung 3 gezeigt. Die Anordnung hat zusätzlich zu den oben erwähnten
Eigenschaften gegenüber dem Ein-Atom-Maser noch den weiteren Vorzug, dass die erzeugte Strahlung
im sichtbaren Spektralbereich liegt, d. h. dass das erzeugte Licht unter anderem auch für interessante
Anwendungen in der Kommunikation eingesetzt werden kann.
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Abb. 3 : Schema der linearen Ionenfalle mit dem optischen Resonator an der linken Seite. Die Ionen werden im
rechten Teil der Falle erzeugt und durch Spannungen an den zusätzlichen Gleichspannungs-Elektroden in den
optischen Resonator auf der linken Seite gebracht. Die Anregung des Ions zur Lichtemission erfolgt durch
Laserlicht, das unter einem Winkel zur Achse des optischen Resonators eingestrahlt wird. Auf der rechten Seite
des Bildes ist ein einzelnes Ion in der Falle zu sehen, das durch Lichteinstrahlung von außen zum Leuchten angeregt
worden ist.
Bild : MPI für Quantenoptik
Die im MPQ entwickelte Anordnung emittiert einzelne Photonen bei Veranlassung von außen. Um die
Emission hervorzurufen, wird das Ion mit einem Laserstrahl unter einem Winkel zur Achse des optischen
Resonators angeregt. Die Emission des Photons erfolgt in Richtung der Achse des optischen Resonators,
hervorgerufen durch die modifizierten Vakuumfluktuationen. Durch die Laseranregung kann die Dauer
des Photonen-Wellenpaketes und damit seine Kohärenzzeit beeinflusst werden.
Die Anordnung stellt eine praktisch ideale Einphotonen-Quelle dar, wie sie für die QuantenKommunikation benötigt wird. Es ist gezeigt worden, dass die Nachrichtenübermittlung mithilfe
einzelner Photonen den entscheidenden Vorteil gegenüber der normalen optischen Kommunikation hat,
dass die Übermittlung abhörsicher ist. Die am MPQ realisierte Quelle wird es ermöglichen, die
Grundlagen solcher Übertragungsstrecken zu erarbeiten. Die Anordnung hat ferner interessante
Anwendungen auch im Zusammenhang mit den Bemühungen, einen Quantencomputer zu realisieren.
Die Photonen im Resonator übernehmen dabei die Kopplung zwischen den gespeicherten Atomen
(Quantenbits) bei der Realisierung der Gatter.
Ausgangspunkt für die hier beschriebenen Untersuchungen war das Studium der Quantenprozesse an
einzelnen Atomen. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass trotz der exotischen Thematik Grundlagen für
interessante künftige Anwendungen erarbeitet werden konnten, die sich zusätzlich zu den
Grundlagenerkenntnissen zur Quantenphysik ergeben.
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