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Photonische Computer

Lichtsignale mit einzelnen Photonen kontrollieren

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Schon ein einzelnes Photon sollte das Molekül schalten können

Licht schaltet Licht: In einem Kristall werden Moleküle (rote Kügelchen) eingebettet und stark gekühlt. Dann reicht ein schwacher Kontrollstrahl (gelb), der durch eine Linse fokussiert wird, um einen Probstrahl (rosafarben) zu steuern. Abhängig vom Farbunterschied zwischen beiden Strahlen, ändert sich die Transparenz des Moleküls für den Probstrahl.
Licht schaltet Licht: In einem Kristall werden Moleküle (rote Kügelchen) eingebettet und stark gekühlt. Dann reicht ein schwacher Kontrollstrahl (gelb), der durch eine Linse fokussiert wird, um einen Probstrahl (rosafarben) zu steuern. Abhängig vom Farbunterschied zwischen beiden Strahlen, ändert sich die Transparenz des Moleküls für den Probstrahl.
(Bild: MPI für die Physik des Lichts)

Den Erlanger Forschern reichten dagegen einige wenige Lichtteilchen im Kontrollstrahl, um den Probestrahl zu schalten. Denn sie nahmen ihr Experiment nahe des Absoluten Nullpunkts der Temperatur vor.

"Bei sehr tiefen Temperaturen wird der Wechselwirkungsquerschnitt des Moleküls um ein vielfaches größer als seine geometrische Ausdehnung", erklärt Benjamin Gmeiner, der an den Experimenten ebenfalls maßgeblich mitarbeitete. Das Molekül wird für das Licht also gewissermaßen zum Scheinriesen, mit der Konsequenz, dass nahezu jedes Photon des Kontrollstrahls mit dem Molekül wechselwirken kann.

"Daher genügen schon wenige Photonen aus dem Laserstrahl, um die optischen Eigenschaften des Moleküls zu verändern." Die Forscher sind sogar überzeugt, dass sich der Kontrollpuls noch weiter abschwächen lässt: "Prinzipiell sollte schon ein einzelnes Photon ausreichen, um das Schicksal eines zweiten Photons zu ändern", sagt Vahid Sandoghdar.

An der Kontrolle eines Lichtsignals mit einzelnen Photonen werden die Forscher nun weiter arbeiten. Die bislang geltende Voraussetzung, dass solche nicht-linearen Wechselwirkungen nur bei hohen Intensitäten möglich sind, hätten sie dann in ihr komplettes Gegenteil verkehrt.

Bei anderen geplanten Experimenten hat das Erlanger Team eher die Praxis im Blick: Die Forscher möchten das Molekül als nanooptischen Transistor nämlich in eine photonische Wellenleiterstruktur einbetten. Denn ähnlich wie bei einer elektrischen Schaltung müssen die Moleküle verkabelt werden, um sich in einen Schaltkreis integrieren zu lassen. Gelingt den Forschern dies, verbessert sich die Perspektive, Information in einem photonischen Computer künftig einmal mit Licht zu verarbeiten.

Originalveröffentlichung auf www.mpg.de; 26. April 2016

* Peter Hergersberg schreibt in der Onlie-Redaktion der Max-Planck-Gesellschaft über die Themen Chemie, Physik und Technik.

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