Anmeldung zur Kinder-Uni LED und Laser – besonderes Licht aus Kristallen

Am Freitag, den 19. Mai 2017 experimentiert der Physiker Michael Jetter vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Uni Stuttgart auf dem Vaihinger Campus mit Lichtstrahlen.

 Foto: Lichtgut/ Verena Ecker
Foto: Lichtgut/ Verena Ecker

Wenn es um Laser geht, denken viele Menschen an das Laserschwert aus Filmen wie „Star Wars“ oder Laserwaffen aus James-Bond-Streifen. Doch diese Schwerter gibt es nicht, denn ein Lichtstrahl hört nicht einfach auf, er strahlt unendlich weiter. Doch so ein bisschen Science-Fiction mit Spionageatmosphäre hat die Arbeit von Michael Jetter schon. Der Physiker vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Uni Stuttgart arbeitet mit Lasern und ist auf dem besten Weg, zusammen mit seinen Kollegen eine abhörsichere Anlage für die Datenkommunikation zu konstruieren – und zwar mit Einzelphotonen, die parallel zu den Arbeiten mit Laserlicht entwickelt werden konnten.

Der klassische Laser, der in der Medizintechnik, in großen Projektoren für Kinos, im Scanner an der Supermarktkasse oder in der Astronomie eingesetzt wird, zeichnet sich durch einen gebündelten Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge aus, die dann auch die Farbe bestimmt. Das besondere Laserlicht entsteht, indem man beispielsweise einem Kristall elektrische Energie zugeführt oder man ihn mit einem anderen Lichtstrahl beschießt. Dadurch werden die Atome im Inneren des Kristalls angeregt und setzen Lichtteilchen, Photonen, frei. Mit noch mehr Energiezufluss stoßen diese Photonen auf weitere angeregte Atome im Kristall, die nun wiederum weitere Lichtteilchen ausstrahlen. Lässt man diese zwischen zwei Spiegeln hin- und herwandern und lässt sie dann durch eine enge Öffnung frei, entsteht schließlich der gebündelte Lichtstrahl mit einer bestimmten Farbe, der typische Laserstrahl.

Neben diesem klassischen Bereich der Laserforschung beschäftigt man sich bei den Physikern im Labor an der Uni Stuttgart auch mit der nicht klassischen Variante, mit Quellen, die einzelne Lichtquanten aussenden. „In den Kristall zur Produktion des Laserlichts können wir auch dreidimensionale Inseln einer anderen Kristallstruktur einsetzen“, erklärt Jetter. Diese Insel besteht aus etwa 1000 Atomen, die jedoch wie ein einziges Atom reagieren. Diese Struktur, auch Quantenpunkt oder künstliches Atom genannt, ist ein isoliertes System mit eigenen Energieübergängen und eigener Struktur.

Wie ein herkömmliches, einzelnes Atom kann auch dieses künstliche Atom mit Energie dazu angeregt werden, Licht in Form eines einzelnen Photons auszusenden. Doch bei dieser künstlichen Variante ist es möglich, die Wellenlänge dieses einzelnen Photons genau zu steuern und zu manipulieren. „Wenn man nun zwei Photonen aus zwei unterschiedlichen Quantenpunkten gleichzeitig austreten lässt und diese durch einen Strahlleiter, also einen halbdurchlässigen Spiegel lenkt, hat das Photon genau zwei Möglichkeiten. Entweder es geht durch, oder es wird senkrecht dazu reflektiert“, erklärt der Stuttgarter Physiker.

Man erwarte nun, dass hinter dem Strahlleiter mal das eine Photon ankomme, mal das andere oder keines, weil sie reflektiert würden. Doch in der Quantenphysik ist manches anders, als man eigentlich denkt: Zwei identische Photonen, die auf einen solchen halbdurchlässigen Strahlungsteiler treffen, tun sich zusammen und verlassen die Spiegel nur als Paar – egal in welche Richtung, nach vorne durch oder reflektiert. „Das ist ein komplett neuer Lichtzustand, man nennt dieses künstliche Konstrukt einen verschränkten Zustand“, erklärt Michael Jetter. Sobald man diesem Lichtpaar zu nahe kommt, wird es zerstört. Man könne diesen künstlich erzeugten Lichtzustand daher für eine physikalisch abhörsichere Datenkommunikation verwenden, meint der 50-jährige Wissenschaftler.

Sobald man diesen Zustand messen möchte, indem man die Kommunikation mithören möchte, löst sich die Partnerschaft der beiden Photonen sofort. Die Datenübertragung endet, und sowohl Sender als auch Empfänger sind im Bilde, soeben abgehört zu werden – und können somit sofort reagieren und einen anderen Kanal mit einer anderen Wellenlänge aus zwei anderen identischen Photonen wählen. Diese Art der Absicherung ist bislang undenkbar, denn bei einer üblichen Kommunikation etwa über den Rechner und einen Code ist es unmöglich, sofort zu erkennen, wenn der Code geknackt und gelauscht wird.

Der abhörsichere Quantenrepeater ist allerdings noch nicht marktreif. Dazu bedarf es weiterer Forschungsarbeiten. „Wir sind dabei, die Grundlagenforschung zur Anwendung zu bringen“, berichtet Jetter. Bis jetzt arbeite man vor allem mit Licht im infraroten Bereich. Allerdings sei dies nicht optimal für eine weitere Übertragung etwa vom Wohnhaus zur nächsten Bank und schon gar nicht zwischen Ländern oder Kontinenten. In den weltweit verlegten üblichen Glasfaserkabeln, in denen ständig Unmengen an Daten übertragen werden, kann sich dieses nahe infrarote Licht nur sehr schlecht ausbreiten. Es gehe nun darum, sagt Michael Jetter, Einzelphotonenquellen mit einer Wellenlänge zu erschaffen, die sich in diesen Glasfasern optimal verbreiten kann.

Ob ein solches Licht je im Drehbuch eines Agententhrillers vorkommt, bleibt offen. Dass sich der Quantenrepeater in der Realität durchsetzen wird, ist sich Jetter jedoch sicher.

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