Kwantumfysici kunnen nu een soort fotonenschnaps destilleren. Wanneer sterke drank wordt gedistilleerd, het alcoholgehalte stijgt ten opzichte van het watergehalte. Een vergelijkbare methode, ontwikkeld door een team van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, werkt op lichtquanta – fotonen. Het haalt individuele fotonen uit een lichtbron, duwt de ongewenste vacuümcomponent terug, en meldt dit evenement. Dergelijke enkelvoudige fotonen zijn belangrijke kwantumbits voor de momenteel opkomende kwantuminformatietechnologie.

Het doet inderdaad denken aan het principe achter het distilleren van alcohol – ook al ziet het apparaat dat in een laboratorium van het Max Planck Institute of Quantum Optics is gehuisvest er totaal anders uit dan iets dat wordt gebruikt voor het distilleren van schnaps. Het Garching-experiment vergroot het aandeel individuele fotonen ten opzichte van het vacuüm. Deze motivatie klinkt misschien vreemd voor het grote publiek. Echter, het leidt rechtstreeks naar de vreemde wereld van de kwantumfysica. Uiteindelijk spelen zwakke lichtbronnen die precies één foton kunnen leveren een centrale rol in de kwantuminformatietechnologie. Als een kwantumbit, een foton kan de elementaire kwantuminformatie transporteren die nodig is voor kwantumnetwerken, kwantumversleuteling, en kwantumcomputers – net zoals de huidige digitale technologie individuele bits verwerkt als informatiedragers.

Het construeren van enkelvoudige fotonbronnen is een uitdaging waar al jaren wereldwijd onderzoek naar wordt gedaan. Dit klinkt verbazingwekkend omdat er maar een enkele aanraking van een lichtschakelaar nodig is om een ​​kamer te verlichten. Echter, het licht van een lamp komt overeen met een stroom van enorme aantallen fotonen. Als je een lichtbron zodanig dimt dat er slechts enkele fotonen uit kunnen ontsnappen, je wordt geconfronteerd met het dobbelsteenkarakter van de kwantumwereld; soms komt er niets, en dan komen er twee of drie fotonen, enzovoort. Het lijkt een beetje op het druipen van een stilstaand beeld. Je kunt niet precies voorspellen wanneer de daling zal komen of hoe groot deze zal zijn.

Aan een schoon geprepareerd foton mag geen vacuüm worden toegevoegd

De natuurkundigen van de afdeling Gerhard Rempes van het Max Planck Institute of Quantum Optics waren niet van plan om nog een enkelfoton-lichtbron te ontwikkelen. In plaats daarvan, hun experiment kan individuele fotonen extraheren uit het licht van elke zeer zwakke lichtbron - zoals een stilstaand beeld - en deze gebeurtenis op betrouwbare wijze rapporteren. Strikt gesproken, het vermindert de fractie van puur vacuüm in vergelijking met het verkrijgen van een foton. Dit is wat je leert van Severin Daiß, doctoraatsstudent aan het Instituut en eerste auteur van de publicatie. Een van de eigenaardigheden van de kwantumwereld is dat het vacuüm zelf een kwantumtoestand vertegenwoordigt. Als je een foton netjes wilt voorbereiden, er mag geen vacuüm worden toegevoegd.

Twee uitdagingen komen samen in het nieuwe onderzoekswerk van Rempes' team. De eerste uitdaging is om precies één foton te verkrijgen. De tweede is om het betrouwbaar te detecteren. Een enkel rubidiumatoom lost beide taken in één stap op. Dit atoom zit in een soort spiegelkast. Preciezer, het zit gevangen tussen twee bijna perfecte spiegels die tegenover elkaar staan. De afstand van de spiegels in deze "resonator" komt precies overeen met een veelvoud van een halve golflengte van licht waarin het atoom zijn eigen foton zou kunnen uitstralen of absorberen. In dit systeem, het atoom kan als een aanwijzer heen en weer worden gevouwen tussen twee weergaveposities; dit speelt hier een belangrijke rol.

Meerdere foton stills achter elkaar verhogen de zuiverheid van het licht

"We kunnen dit systeem van het atoom in de resonator gebruiken als een still voor het foton", zegt Severin Daiß. De groep uit Garching richt extreem zwak laserlicht – waaruit ze een enkel foton willen halen – op de holte. Daar doet het iets dat alleen in de kwantumwereld werkt:het verstrengelt met de atoom-resonator-opstelling, waardoor een gemeenschappelijke kwantumtoestand wordt gevormd. Deze verstrengelde toestand maakt het systeem tot een stilstaand beeld:met een meting op het atoom, natuurkundigen kunnen uit het invallende licht een even of een oneven aantal fotonen halen.

Echter, dit werkt niet als een schakelaar; het dobbelsteenkarakter van de kwantumwereld verhindert dat een foton met een druk op de knop doorkomt. "Wat hier doorslaggevend is, is dat we nu het atoom als aanwijzer kunnen gebruiken om een ​​succesvolle single-photon-destillatie te rapporteren", legt Daiß uit. De natuurkundigen laten het arrangement fotonen rollen, maar krijgen het aantal dobbelstenen betrouwbaar weergegeven.

In combinatie met ultrazwak licht, de modus "oneven fotongetal" kan nu gebeurtenissen met één foton produceren omdat er zelden meer fotonen beschikbaar zijn. De distillatie slaagde met een "zuiverheid" van 66 procent, wat betekent dat het vacuümgehalte werd teruggebracht tot een derde. Vergeleken met lichtbronnen met enkel foton, dit is een goed resultaat voor een eerste poging. Deze zuiverheid kan aanzienlijk worden verhoogd met betere optische holtes. De fotondestillatie-elementen kunnen in serie worden geschakeld om de zuiverheid van het doorgelaten foton verder te verhogen. Ook kan de kwaliteit van het licht van andere enkelvoudige fotonbronnen worden verbeterd. Het is alsof je 60 procent (of meer) wodka maakt van 40 procent wodka.