Starke Korrelationen zwischen einzelnen Photonen und die

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Hannes Gorniaczyk, geboren 1986, ist Diplom-Physiker. Im Rahmen seines Studiums an der Universität Stuttgart hat
er ein Auslandssemester an der University of Technology in Brisbane und einen Forschungsaufenthalt an der University of
Wisconsin eingelegt. Als Tutor für Seminare der Höheren Mathematik konnte er bereits einige Lehrerfahrung sammeln.
Seine Promotion am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat er im Juni 2012 begonnen.
Starke Korrelationen zwischen einzelnen Photonen
und die Realisierung eines optischen Transistors
Dem rasanten Fortschritt der modernen Halbleiterindustrie
sind Grenzen gesetzt durch das Wärmemanagement, die
Fertigungstechnik und fundamental durch das Auftreten
quantenmechanischer Effekte bei Strukturgrößen weniger
interatomarer Abstände. Ein langfristiger Fortschritt verlangt
somit neue Konzepte wie den optischen Computer oder den
Quantencomputer.
Die Forschungsarbeit hat zum Ziel, einen optischen Einzelphoton-Transistor zu realisieren. Dazu wird ein Medium
benötigt, welches durch die Anwesenheit eines einzelnen
Schalt-Photons undurchlässig für eine große Anzahl SignalPhotonen wird. Um diesen Effekt zu realisieren, muss eine
optische Nichtlinearität auf dem Einzelphoton-Niveau im
Medium geschaffen werden. Konventionelle Nichtlinearitäten spielen nur bei hohen Intensitäten eine Rolle, da zwei
Photonen gleichzeitig mit einem Streuobjekt wechselwirken
müssen. Der zentrale Aspekt der vorliegenden Forschung ist
das neuartige Konzept einer kollektiven Nichtlinearität, bei
der ein einzelnes Photon durch Erzeugung starker Atom-
Atom-Korrelationen viele Streuobjekte (neutrale Atome)
gleichzeitig beeinflussen kann. Die Basis für dieses Konzept
ist die Verknüpfung von Rydberg-Physik in ultrakalten
Gasen mit modernen Techniken der Quantenoptik, wie z.B.
elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT). Aufgrund
der langreichweitigen Wechselwirkung zwischen RydbergAtomen kann ein einzelnes Photon das EIT-Medium auf
einer Längenskala von etwa 10μm verändern, eine Größenordnung jenseits der Streulänge, die durch die Wellenlänge
gegeben ist (1µm). Diese Nichtlinearität wurde in einem
eigenen Experiment bereits beobachtet, so dass nun eine
Konzentration auf die Erarbeitung optimaler Schemata zur
Implementation des optischen Transistors erfolgt. Die nach
diesem Konzept realisierten Einzelphoton-Transistoren
werden zentrale Komponenten in rein optischen Computern
bilden, und längerfristig als cNOT-Gatter den Grundbaustein
für zukünftige Quanten-IT liefern.
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