De kans om een ​​bepaald aantal fotonen in een laserpuls te vinden, komt meestal overeen met een klassieke verdeling van onafhankelijke gebeurtenissen, de zogenaamde Poisson-verdeling. Er zijn, echter, lichtbronnen met niet-klassieke fotongetalverdelingen die alleen kunnen worden beschreven door de wetten van de kwantummechanica. Een bekend voorbeeld is de single-photon source die toepassing kan vinden in kwantumcryptografie voor geheime sleuteldistributie of in kwantumnetwerken voor het verbinden van kwantumgeheugens en processors. Echter, voor veel toepassingen in niet-lineaire kwantumoptica lichtpulsen met een bepaald vast aantal fotonen, bijv. twee, drie of vier, zijn zeer gewenst. Een team van wetenschappers van de Quantum Dynamics Division van professor Gerhard Rempe van het Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching bij München) is er nu in geslaagd de eerste stappen in deze richting te zetten. Met behulp van een sterk gekoppeld atoom-holtesysteem, zij waren de eersten die de zogenaamde twee-fotonblokkade waarnamen:het systeem zendt maximaal twee fotonen tegelijk uit, aangezien de opslagcapaciteit tot dat aantal beperkt is ( PRL , 31 maart 2017).

Een naïeve benadering voor het genereren van een stroom afzonderlijke fotonen zou zijn om de intensiteit van een laserstraal voldoende te verminderen. Maar in dit geval varieert het aantal fotonen nog steeds van puls tot puls, en alleen bij het middelen over vele pulsen wordt een gemiddeld fotongetal van één waargenomen. Toepassingen vereisen daarentegen een vast aantal van precies één foton per puls. De fluctuaties van het fotongetal per puls kunnen sterk worden verminderd door een enkel atoom als enkele fotonbron te gebruiken. Wanneer het atoom wordt verlicht door een laserstraal, het kan slechts één foton tegelijk absorberen, waardoor een overgang van de grondtoestand naar een aangeslagen toestand wordt gemaakt. Een tweede foton kan pas worden geabsorbeerd nadat het atoom is teruggevallen naar de grondtoestand door een foton uit te zenden. Daarom, in het uitgezonden lichtveld wordt niet meer dan één foton tegelijk gedetecteerd, een effect dat bekend staat als "single-photon blockade".

Om dit principe uit te breiden tot een "blokkade van twee fotonen" moet men verder gaan dan een enkel atoom en op zoek gaan naar een systeem dat meer dan één foton kan opslaan, maar niet meer dan twee. Hiertoe, de MPQ-fysici combineren het enkele atoom met een holte die extra opslagcapaciteit biedt. Een holte kan een onbeperkt aantal fotonen opnemen en vertoont een overeenkomstig groot aantal energietoestanden die – vergelijkbaar met een “ladder” – op precies dezelfde afstand van elkaar liggen. Het inbrengen van een enkel atoom in de holte introduceert een niet-lineair element. Dit zorgt ervoor dat de energieniveaus voor elk van de 'laddertrappen' met een ander bedrag worden gesplitst. Vandaar, laserlicht kan het systeem alleen prikkelen tot het niveau waarop het is afgestemd. Het aantal fotonen dat kan worden opgeslagen is dus beperkt tot een bepaald aantal, en daarom, niet meer fotonen dan kunnen worden uitgezonden.

In het experiment, de natuurkundigen houden een enkel rubidiumatoom vast in een optische val in een holte gemaakt van twee zeer verfijnde spiegels. De frequentie van de inkomende laserstraal wordt afgestemd op een energieniveau dat de absorptie van twee fotonen vereist voor de excitatie ervan. Tijdens de vijf seconden opslagtijd van het atoom worden ongeveer 5000 meetcycli uitgevoerd, waarbij het systeem wordt bestraald door een sondelaser en emissie uit de holte wordt geregistreerd via enkelfotondetectoren. "Interessant, de fluctuaties in het aantal uitgezonden fotonen hangt sterk af van of we de holte of het atoom aanslaan, " wijst de projectleider Dr. Tatjana Wilk op. "Het effect dat de absorptie van twee fotonen verdere absorptie onderdrukt, wat leidt tot emissie van twee of minder fotonen, wordt alleen bereikt in het geval van atomaire excitatie. Dit kwantumeffect treedt niet op wanneer we de holte exciteren. In dit geval, we nemen een versterkt signaal waar van drie en meer fotonen per lichtpuls."

Christoffel Hamsen, promovendus bij het experiment, legt de onderliggende processen uit:"Als het atoom wordt aangeslagen, hebben we te maken met de wisselwerking tussen twee tegenstrijdige mechanismen. Aan de ene kant het atoom kan slechts één foton tegelijk absorberen. Anderzijds, het sterk gekoppelde atoom-holtesysteem resoneert met een twee-fotonovergang. Dit samenspel leidt tot een opeenvolging van lichtpluspunten met een niet-klassieke fotonenverdeling." En Nicolas Tolazzi, een andere promovendus, voegt toe:"We waren in staat om dit gedrag te observeren in correlaties tussen gedetecteerde fotonen waarbij het samenvallen van drie fotonen significant werd onderdrukt in vergelijking met de verwachting voor het klassieke geval."

Prof. Gerhard Rempe geeft een kijk op mogelijke uitbreidingen van het experiment:"Momenteel ons systeem zendt lichtpulsen uit met maximaal twee fotonen, maar ook pulsen met minder, één of zelfs nul, fotonen. Het werkt als een soort 'low pass'. Er zijn, echter, een aantal toepassingen voor kwantumcommunicatie en kwantuminformatieverwerking waar precies twee, er zijn drie of vier fotonen nodig. Ons uiteindelijke doel is het genereren van zuivere toestanden waarbij elke lichtpuls precies hetzelfde gewenste aantal fotonen bevat. De blokkade van twee fotonen die in ons experiment is gedemonstreerd, is de eerste stap in deze richting." Olivia Meyer-Streng