Treffen Photonen, die von einer herkömmlichen Licht- oder Strahlenquelle abgegeben werden, auf einen Detektor, lösen sie ein elektrisches Signal aus, vergleichbar mit einem einzelnen «Klick» eines Geigerzähler, der knattert, wenn radioaktive Teilchen auf ihn treffen. Aber anders als für optische Photonen gibt es bis jetzt für besonders niedrige Frequenzen, wie dem Mikrowellenfrequenzbereich, keine Detektoren, die einzelne Photonen nachweisen können. Die Intensität dieser Mikrowellenphotonen ist viel zu schwach dafür. Die Forschergruppe von ETH-Professor Andreas Wallraff vom Departement für Physik konnte nun solche intensitätsschwache Photonen mit einer speziellen Vorrichtung und Methode auch ohne «klickende» Detektoren charakterisieren. Physiker brauchen derartige Techniken, um beispielsweise die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen oder um effiziente Informationsübermittlung in der optischen Datenkommunikation zu ermöglichen.

Detektor und Emitter in einem

Bei der interdisziplinären Zusammenarbeit der Gruppe Wallraff mit dem Masterstudenten Deniz Bozyigit vom Departement für Informationstechnologie und Elektrotechnik, und kanadischen Wissenschaftlern, integrierten die Forscher auf einen Mikrochip eine Lichtquelle, die einzelne Mikrowellenphotonen erzeugt. Der Frequenzbereich dieser Photonen liegt bei wenigen Gigahertz, ähnlich der elektromagnetischen Strahlung von Handys und Mikrowellen. Bei der neuartigen Anordnung wird kontrolliert innerhalb weniger Nanosekunden genau ein einzelnes Photon erzeugt, insgesamt zwei Millionen Mal pro Sekunde. Dass diese Vorrichtung auch tatsächlich nur einzelne Photonen generiert, zeigten die Wissenschaftler, indem sie auf dem Mikrochip zudem eine hochempfindliche und effiziente Messvorrichtung aufbauten, ähnlich wie jene, die bei optischen Photonen verwendet wird.

Nur ein Weg möglich

Bei optischen Photonen wird hierfür ein Strahlteiler genutzt, der zur Hälfte verspiegelt ist. Die Photonen können mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder reflektiert werden oder den Strahlteiler durchdringen. Für beide Möglichkeiten gibt es jeweils einen Detektor, der das reflektierte oder transmittierte Photon nachweist. Das von einer Photonenquelle erzeugte einzelne Photon kann entsprechend den Gesetzen der Quantenmechanik niemals zur einen Hälfte reflektiert und zur anderen Hälfte transmittiert werden. Es muss sich für eine der Möglichkeiten entscheiden. Das Licht wird hier nicht mehr über seine Welleneigenschaften, entsprechend der klassischen Physik beschrieben; die Photonen verhalten sich wie Teilchen. «Klickt» nur einer der Detektoren, beweist das, dass die Quelle tatsächlich nur einzelne Photonen erzeugt.

Wallraff erklärt wie es gelang die Einzelphotonen nun auch im Mikrowellenfrequenzbereich auf diese Weise zu registrieren: «Bisher war man der Meinung, dass man diese Korrelationen – die Charakterisierung der Eigenschaften der Photonen, und wie sich diese in einem Strahlteiler verhalten – nur messen kann, wenn der Detektor die Photonen wie ein Teilchen mit einem „Klick“ detektiert. Da im Mikrowellenfrequenzbereich die Intensität der Photonen hierfür zu schwach ist, verstärken wir die Signale auftreffender Photonen und messen dann die Amplitude des Feldes, das die Photonen erzeugen.» Um die immense Datenmenge dieser Messungen von über 1000 Gigabytes pro Stunde zu bewältigen, mussten die Forscher zudem ein neuartiges System entwickeln, das diese Daten in Echtzeit verarbeiten kann. Aus der so gewonnenen Statistik konnten sie mittels der neu entwickelten Methode den Beweis erbringen, dass nur ein einzelnes Photon emittiert wurde und dieses wie erwartet den einen oder den anderen der möglichen Wege genommen hat.

Vielversprechend für Informationsverarbeitung

Sollte es möglich sein, einzelne Photonen aus dem Mikrowellenfrequenzbereich und deren Eigenschaften zu manipulieren und zu messen, könnte diese Messeinheit ein Element für einen Quantencomputer werden: Einzelne Photonen, treffen auf einen Strahlteiler und übertragen auf einem integrierten Mikrochip quantenmechanisch Informationen, die dann detektiert werden. Dadurch könnten Informationsverarbeitungsprozesse in Zukunft möglicherweise effizienter durchgeführt werden, sagt der Physiker.

Literaturhinweis:

Bozyigit D et al.: Antibunching of microwave-frequency photons observed in correlation measurements using linear detectors, Nature Physics 7, 154–158 (2011) doi:10.1038/nphys1845