Wie klingt Quantenlicht? | Text und Ton
Die Entdeckung der Quantenphysik hat unser Bild vom Universum revolutioniert. Üblicherweise finden sich solche Quantenphänomene auf mikroskopischer Ebene, etwa bei der Beschreibung von Atomen, aber sie können sich auch auf die größten bekannten Strukturen des Universums beziehen, etwa bei der Erklärung von Fluktuationen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Heute beginnen wir, diese und andere wunderbare Eigenschaften der Quantenphysik für neuartige technologische Anwendungen nutzbar zu machen.
Ein Beispiel ist die Messung von Quantenlicht für die Entwicklung von Sensoren der nächsten Generation, deren Empfindlichkeit die der heutigen Geräte übersteigt. Nach Einstein wird Licht in Form einzelner Pakete, sogenannter Lichtquanten oder Photonen, wahrgenommen. Dieses teilchenähnliche Verhalten lässt sich mit den klassischen Theorien über Lichtwellen nicht erklären.
Ein Einzelphotonendetektor funktioniert wie ein Geigerzähler, der ein Signal - einen so genannten "Klick" - erzeugt, wenn Photonen absorbiert werden. Über die Feststellung der An- und Abwesenheit von Photonen hinaus ermöglichen es sorgfältig konzipierte Kombinationen solcher Einzelphotonendetektoren, die Anzahl der Photonen in jedem Signal zu zählen, was einen wichtigen Baustein der photonischen Quantentechnologie darstellt.
In der realen klassischen und Quantensignalverarbeitung ist jedes Bit an Information mit Rauschen verbunden. Interessant und wichtig ist, dass sich die Rauscheigenschaften von klassischem und Quantenlicht ganz unterschiedlich verhalten können, wenn sie mit Kombinationen von Einzelphotonendetektoren gemessen werden. So erzeugt beispielsweise klassisches thermisches Licht ein stark verrauschtes Signal (hören Sie sich classical_light.mp3 an), während es mit Quantenlicht möglich ist, dieses Rauschen erheblich zu verringern (hören Sie sich quantum_light.mp3 an).
Diese klassisch unmögliche Rauschunterdrückung des Quantenlichts eröffnet neue Wege zur Analyse von Signalen. Diese rauscharme Eigenschaft kann beispielsweise in Gravitationswellendetektoren genutzt werden, die das schwierige Problem angehen, winzige Wellen in der Raumzeit, wie sie von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt werden, trotz unerwünschter Hintergrundsignale zu erkennen.
Am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn sind wir führend in der Entwicklung neuer quantengestützter Detektionsverfahren, die unser grundlegendes Verständnis der Quantenwelt verbessern und den nächsten Schritt in Richtung anwendbarer Quantentechnologien ermöglichen. Dazu gehört die theoretische Forschung auf diesem Gebiet, z. B. in der Gruppe Theoretische Quantensysteme, die in der obigen Rauschdemonstration auch hörbare Signale simuliert hat, sowie die experimentelle Umsetzung in der Gruppe Integrierte Quantenoptik und der Gruppe Mesoskopische Quantenoptik.
Genießen Sie den Klang des Quantenlichts und einen schönen Weltquantentag!