Stel dat je de Duitse voetbalster Timo Werner mocht blinddoeken en hem meerdere keren om zijn eigen as mocht draaien. Dan vraag je hem om blind te schieten. Het zou zeer onwaarschijnlijk zijn dat hij het doel zou raken.

Natuurkundigen uit Bonn slaagden er toch in om in een vergelijkbare situatie een score van 90 procent te behalen. Echter, hun speler was bijna 10 miljard keer kleiner dan de Duitse sterspits - en veel minder voorspelbaar.

Het was een rubidiumatoom dat de onderzoekers hadden bestraald met laserlicht. Het atoom had stralingsenergie geabsorbeerd en kwam in een aangeslagen toestand. Deze heeft een bepaalde levensduur. Het atoom geeft vervolgens de geabsorbeerde energie vrij door een lichtdeeltje uit te zenden:een foton.

De richting waarin dit foton vliegt is puur toeval. Echter, dit verandert wanneer de rubidium tussen twee evenwijdige spiegels wordt geplaatst, want dan schiet het atoom het liefst op een van de spiegels. In het voorbeeld met Timo Werner, het zou zijn alsof het doelpunt de bal op magische wijze zou aantrekken.

Dit fenomeen wordt het Purcell-effect genoemd. Het bestaan ​​ervan werd enkele decennia geleden ontdekt. "We hebben nu het Purcell-effect gebruikt voor de gerichte emissie van fotonen door een neutraal atoom, " legt Dr. Wolfgang Alt van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Bonn uit.

Er is grote belangstelling voor het Purcell-effect, mede omdat het de constructie van zogenaamde kwantumrepeaters mogelijk maakt. Deze zijn nodig om kwantuminformatie over lange afstanden te verzenden. Hoewel het mogelijk is om een ​​foton in een bepaalde kwantumtoestand te brengen en door een lichtgeleider te sturen, dit kan alleen over beperkte afstanden; voor grotere afstanden, het signaal moet worden gebufferd.

Repeaters geven kwantuminformatie door

In de kwantumrepeater, het foton wordt naar een atoom geleid dat het opslokt en daardoor in een andere toestand verandert. Als reactie op een leespuls met een laserstraal, het atoom spuugt het lichtdeeltje weer uit. De opgeslagen kwantuminformatie blijft behouden.

Het uitgezonden foton moet nu worden opgevangen en teruggevoerd naar een lichtgeleider. Maar dat is lastig als het foton in een willekeurige richting vrijkomt. "We zijn erin geslaagd de fotonen op het pad tussen de twee spiegels te dwingen met behulp van het Purcell-effect, " legt Alt uit. "We hebben nu een van de spiegels gedeeltelijk doorlatend gemaakt en er een glasvezel aan verbonden. Hierdoor konden we het foton relatief efficiënt in deze vezel introduceren."

Het Purcell-effect heeft nog een ander voordeel:het verkort de tijd die het rubidium-atoom nodig heeft om de kwantuminformatie op te slaan en vrij te geven. Deze snelheidswinst is enorm belangrijk. Alleen als de repeater snel genoeg werkt, kan hij communiceren met de zender van de informatie, een zogenaamde kwantumdot. Vandaag, kwantumdots worden beschouwd als de beste bron voor enkelvoudige fotonen voor de overdracht van kwantuminformatie, die volkomen veilig is om te worden onderschept. "Onze experimenten brengen deze belangrijke toekomstige technologie een stap verder, " zegt Alt.