Natuurkundigen uit Duitsland, Denemarken, en Oostenrijk zijn erin geslaagd een soort tourniquet voor licht in glasvezels te creëren waardoor de lichtdeeltjes slechts één voor één passeren

Glasvezels, die laserlicht geleiden, vormen de ruggengraat van de huidige moderne informatiemaatschappij. Als je laserlicht ziet als een stroom lichtdeeltjes, zogenaamde fotonen, dan zijn deze volledig onafhankelijk van elkaar en wordt hun exacte aankomsttijd aan het toeval overgelaten. Vooral, twee fotonen kunnen tegelijkertijd bij de ontvanger aankomen. Voor veel toepassingen, echter, het is wenselijk dat het ene foton na het andere wordt geregistreerd, d.w.z. dat de lichte deeltjes als een parelsnoer op één lijn liggen.

Dergelijke geïsoleerde fotonen zijn, bijvoorbeeld, een basisvereiste voor kwantumcommunicatie, waar men principieel tapproof kan communiceren. Tot nu, enkele kwantumstralers zoals een enkel atoom of een enkel molecuul hebben typisch gefungeerd als bronnen voor dergelijke stromen van individuele fotonen. Als de kwantumzender wordt geëxciteerd met laserlicht en fluoresceert, het zal altijd precies één foton uitzenden bij elke kwantumsprong. Voor dit type bron dan is het nog een uitdaging om de uitgezonden fotonen efficiënt te 'voeden' in een glasvezel om er zo veel mogelijk naar de ontvanger te sturen.

Wetenschappers uit Duitsland, Denemarken en Oostenrijk zijn er nu voor het eerst in geslaagd om door middel van een nieuw effect laserlicht in optische vezels direct om te zetten in een stroom geïsoleerde fotonen. Het voorstel voor het experiment kwam van de theoretische natuurkundigen Dr. Sahand Mahmoodian en Prof. Klemens Hammerer van de Leibniz Universiteit Hannover en collega's van de Universiteit van Kopenhagen. Het werd vervolgens uitgevoerd in de onderzoeksgroep van Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel aan de Humboldt Universiteit van Berlijn. Voor dit doeleinde, de onderzoekers gebruikten een krachtige atoom-lichtinterface, waarin atomen worden opgesloten nabij een zogenaamde optische nanovezel en op een gecontroleerde manier worden gekoppeld aan het licht dat in de nanovezel wordt geleid.

Deze speciale glasvezels zijn honderd keer dunner dan een mensenhaar en de atomen worden op 0,2 micrometer van het glasvezeloppervlak op hun plaats gehouden met een pincet van laserlicht. Tegelijkertijd, ze worden met laserlicht afgekoeld tot een temperatuur van enkele miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Met dit systeem konden de onderzoekers het aantal atomen langs de laserstraal nauwkeurig regelen. In het experiment, de onderzoekers analyseerden vervolgens hoe vaak de fotonen afzonderlijk of in paren uit de vezel kwamen.

Toen ongeveer 150 atomen vastzaten in de buurt van de nanovezel, het doorvallende licht bleek praktisch alleen uit geïsoleerde fotonen te bestaan. Dus, collectief, de atomen werkten voor de fotonen als een tourniquet dat een stroom mensen regelt. Verrassend genoeg, het effect was omgekeerd toen het aantal atomen werd verhoogd:dan laten de atomen de fotonen passeren, bij voorkeur in paren.

Deze ontdekking opent een geheel nieuwe manier om heldere, fiber-geïntegreerde single-photon bronnen. Tegelijkertijd, het door de onderzoekers gedemonstreerde werkingsprincipe kan worden toegepast op brede gebieden van het elektromagnetische spectrum (microgolven tot röntgenstralen). Dit opent de mogelijkheid om enkele fotonen te genereren in spectrale bereiken waarvoor tot nu toe geen bronnen beschikbaar zijn. De onderzoekers hebben al een octrooiaanvraag ingediend voor deze technologie.