Quantenphysik-Rekord: Forscher konservieren Licht in Kristall

Von Peter Gotzner

Physiker Thomas Halfmann der TU Darmstadt im Labor: In Kristallen fangen Forscher für eine Minute Lichinformationen Zur Großansicht
Katrin Binner/ TU Darmstadt

Physiker Thomas Halfmann der TU Darmstadt im Labor: In Kristallen fangen Forscher für eine Minute Lichinformationen

Physiker können Licht verlangsamen und sogar anhalten. Forschern aus Darmstadt gelang nun ein neuer Rekord: Für eine Minute speicherten sie Informationen eines Strahls in einem Kristall. Die Technik soll dabei helfen, extrem schnelle Quantencomputer zu entwickeln.

Licht legt schwer vorstellbare 300.000 Kilometer in der Sekunde zurück - allerdings nur im Vakuum. Durchquert es ein Medium, so bremsen dessen Eigenschaften die Geschwindigkeit des Lichts. Seit Jahren können Physiker so Licht verlangsamen und sogar "stoppen".

Bisher war dies allerdings nur für wenige Sekunden möglich. Denn um einen Lichtstrahl anzuhalten, speichern Physiker seine Informationen in Gasen oder Kristallen zwischen. Mit diesen können sie ihn später reproduzieren. Doch neigen die empfindlichen Lichtspeicher dazu, ihre Informationen schnell wieder zu verlieren. Mit einem Kristall gelang es nun Darmstädter Physikern um Georg Heinze, die Informationen von Lichtwellen besonders lange zu speichern und abrufbar zu halten - für eine ganze Minute.

In einem Kristall, der das Element Praseodym enthielt, konnten die Physiker mit Hilfe von Magnetfeldern den schnellen Datenverlust verhindern. "Stellen Sie sich vor, das Praseodym wäre ein Mann mit einem Aktenkoffer in einer Menschenmenge", sagt Thomas Halfmann, Physiker und Mitautor der im Fachmagazin Physical Review Letters erschienen Studie. "Er kann leicht angerempelt werden und den Koffer mit Informationen verlieren. Mit dem Magnetfeld um den Kristall ist es aber so, als ob wir das Praseodym zu einem zwei Meter großen Rugby-Spieler machen. Der ist unempfindlicher gegen Rempler und Störungen."

Methoden aus Informatik, Physik und Biologie

Das eigentliche Geheimnis der Darmstädter Forscher ist dabei ihr Versuchsaufbau und der geschickte Einsatz von fein aufeinander abgestimmten Komponenten. "Wir führen die Berechnungen, die unsere Lichtpulse optimieren, mit selbstlernenden Algorithmen durch. Wir nutzen Wissen und Methoden aus der Informatik, Physik aber auch Biologie."

So schafften es die Physiker, aus Millionen von möglichen Einstellungen innerhalb kurzer Zeit die besten zu bestimmen und ihren Aufbau zu eichen. Wie in der Evolution ließen sie Parameter in Algorithmen konkurrieren und sich zufällig verändern. Die Einstellungen mit dem besten Ergebnis setzten sich durch und sorgten für die Feinabstimmung der Apparatur.

Licht nicht gestoppt, sondern gespeichert

Mit einem Laser manipulierten die Physiker dann den auf vier bis fünf Kelvin über dem absoluten Nullpunkt gekühlten Kristall. Der veränderte seine optischen Eigenschaften und übernahm die Daten, die in einem anderen Lichtstrahl enthalten waren. "Es wird oft davon gesprochen, dass das Licht gestoppt wird. Das ist ein etwas unglücklicher Begriff", erklärt Thomas Halfmann von der TU Darmstadt.

"Wir haben die Information des Lichtes gespeichert und können damit auch nach einer Minute noch eine exakte Kopie des Strahls aus dem Kristall abrufen." Ein vorher in das Licht eingeprägte Muster konnten die Physiker so auch nach vielen Sekunden aus dem Kristall lesen.

Die Forscher bewegten sich mit ihrem Ergebnis nah an der theoretischen Grenze für das verwendete Material von etwa 100 Sekunden. Für die Zwischenspeicherung von Daten für lichtbasierte Computer ist dies bereits ein großer Schritt. Allerdings lässt sich durch andere Kristalle womöglich noch der Speicherzeitraum vergrößern.

Quantenrechner müssten mit einzelnen Photonen arbeiten

Für einen Kristall mit dem Element Europium planen die Forscher die Leistung des Lasers etwa zu verzehnfachen. Sie hoffen, das Experiment in zwei bis drei Jahren auf den neuen Datenkristall umgestellt zu haben. Dann wären deutlich längere Speicherzeiten möglich: Die Grenze für Europium liegt bei etwa einer Woche.

Damit wäre eine Anwendung innerhalb eines Quantenrechners denkbar. Aber dafür müssten die Forscher noch ein anderes Problem bewältigen, so Halfmann. "Derzeit speichern wir etwa 50 bis 100 Photonen pro Bildpixel. Unser Ziel ist es aber auch einzelne Photonen zu speichern."

Mit der neuen Technologie könnte die klassische Computerindustrie revolutioniert werden, hoffen die Physiker. Die stoße nämlich derzeit an ihre Grenzen, sagt Halfmann, und fordert: "Zur Leistungssteigerung muss die nächste Technologie optisch sein."

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1. Endlich mal ...
westerwäller 01.08.2013
Zitat von sysopPhysiker können Licht verlangsamen und sogar anhalten. Forschern aus Darmstadt gelang nun ein neuer Rekord: Für eine Minute speicherten sie Informationen eines Strahls in einem Kristall. Die Technik soll dabei helfen, extrem schnelle Quantencomputer zu entwickeln. Physiker speichern Licht-Informationen eine Minute in Kristall - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/physiker-speichern-licht-informationen-eine-minute-in-kristall-a-914051.html)
eine durch und durch korrekte Berichterstattung auf verständlichem Niveau. Schön, dass gleich der Unsinn mit dem "Licht stoppen" richtig gestellt wurde ...
2. Doof
Izmi 01.08.2013
Zitat von sysopPhysiker können Licht verlangsamen und sogar anhalten. Forschern aus Darmstadt gelang nun ein neuer Rekord: Für eine Minute speicherten sie Informationen eines Strahls in einem Kristall. Die Technik soll dabei helfen, extrem schnelle Quantencomputer zu entwickeln. Physiker speichern Licht-Informationen eine Minute in Kristall - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/physiker-speichern-licht-informationen-eine-minute-in-kristall-a-914051.html)
Irgendwie werd ich nicht ganz schlau draus, was da in dem Kristall nun wirklich passiert und was die Ursachen sind. Ich bin beileibe kein Physiker, interessiere mich nur ganz privat für solche Themen, vielleicht liegt mein Unverständnis daran. Aber was wird denn nun gespeichert? Werden Photonen soweit durch die Kälte verlangsamt, dass sie stillzustehen scheinen, oder bauen sich die Teilchen irgendwie in den Kristall ein? Bisher war ich auch immer noch der Meinung, dass Licht sowohl Welle als auch Teilchen sein kann. Wie steht es damit beim "Stillstand"? Und nahe dem absoluten Nullpunkt verändern sich die physikalischen Eigenschaften von Materie ohnehin, betrifft das Licht auch? Wäre allerdings unlogisch, weil im Weltraum Temperaturen um wenige Kelvin vorherrschen - da müsste Licht also wesentlich langsamer sein, trotz des Vakuums... Wo bin ich doof?
3. Viel zu störunganfällig
carolian 01.08.2013
Richtig, ein Lichtstrahl kann auch Träger von Informationen sein. Nur scheint mir die Störanfälligkeit eines Lichtstrahl zu gross zu sein, dass es einen Sinn macht, diesen für stabile Prozesse anzuwenden. Aber vielleicht ist er sinnvoll für instabile Prozesse. Die zwar auch keinen Sinn haben, aber sich immerhin zum Experimentieren eignen und so den Forschern das Einkommen sichern.
4. Vielleicht kann ich helfen ...
westerwäller 01.08.2013
Zitat von IzmiIrgendwie werd ich nicht ganz schlau draus, was da in dem Kristall nun wirklich passiert und was die Ursachen sind. Ich bin beileibe kein Physiker, interessiere mich nur ganz privat für solche Themen, vielleicht liegt mein Unverständnis daran. Aber was wird denn nun gespeichert? Werden Photonen soweit durch die Kälte verlangsamt, dass sie stillzustehen scheinen, oder bauen sich die Teilchen irgendwie in den Kristall ein? Bisher war ich auch immer noch der Meinung, dass Licht sowohl Welle als auch Teilchen sein kann. Wie steht es damit beim "Stillstand"? Und nahe dem absoluten Nullpunkt verändern sich die physikalischen Eigenschaften von Materie ohnehin, betrifft das Licht auch? Wäre allerdings unlogisch, weil im Weltraum Temperaturen um wenige Kelvin vorherrschen - da müsste Licht also wesentlich langsamer sein, trotz des Vakuums... Wo bin ich doof?
... Licht (Photonen bewegen sich *immer* mit 300.000km/s. Die Tatsache, dass sich Licht in bestimmten Medien (Wasser, Glas, Luft, Kristalle) "langsamer" bewegt, liegt daran, dass die Photonen, wenn sie auf ein Atom bzw. Elektron treffen, dieses in einen höheren Energiezustand befördern. In dem Moment ist das Photon tatsächlich verschwunden. Nach winziger Zeit fällt das Elektron wieder in seinen vorherigen Zustand zurück und bewegt sich weiter, wie zuvor. Diese erzwungenen "Ruhepausen" verlängern natürlich die Zeit zum Durchqueren des Materials. Das Licht wird "insgesamt langsamer" ... Den Forschern ist es nun gelungen, diese Ruhepausen auf Minutenlänge auszudehnen. Das ist ein Faktor von 10"HochJedeMenge" und deswegen bemerkenswert ...
5. Izmi
Msc 01.08.2013
Ich bin auch kein Physiker, aber der eindringende Lichtstrahl regt das Praseodym an. Hier wird nichts gestoppt oder eingebaut (schon gar kein Photon), die Lichtenergie wird lediglich in Schwingungsenergie umgewandelt. Normalerweise würde diese Energie schnell wieder abgegeben werden durch verschiedene Prozesse, aber durch das Magnetfeld konnte diese Zeit vergrößert werden. Wichtig ist natürlich auch, dass die letztendlich als Licht abgegebene Energie auch wieder diegleiche Wellenlänge besitzt wie sie das eingehende Licht hatte, was vermutlich auch nicht trivial ist. Aber das muss wirklich ein Physiker sagen :)
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