Gequetschtes Licht

Das Wort „gequetscht“ (engl.: „squeezed“) ist ein Fachwort der Quantenphysik und beschreibt Zustände, deren quantenmechanische Unschärfe (über einen gewissen Parameterbereich) kleiner ist als die des entsprechenden Grundzustandes. Dieses ist bemerkenswert, da der Grundzustand keine Quantenanregung hat, ein gequetschter Zustand dagegen schon. Gequetschte Zustände haben wie die Fock-Zustände eine nichtklassische Glauber-Sudarshan-P-Funktion und gehören damit zu den nichtklassischen Zuständen.

Bezogen auf Licht zeigen gequetschte Zustände eine gequetschte Unschärfe der elektrischen Feldstärke. Wie jeder quantisierte Oszillator wird auch die Feldstärke durch zwei nicht-kommutierende Größen beschrieben, der Amplitude der Amplitudenänderung (X) und der Amplitude der Phasenänderung (Y). Aus der Heisenbergschen Unschärferelation folgt generell: wenn X gequetscht ist muss Y mindestens ebenso stark „anti-gequetscht“ sein. Das Bild oben zeigt die Quasi-Wahrscheinlichkeitsverteilung eines vom Ursprung verschobenen gequetschten Zustands. Der gestrichelte Kreis deutet im Vergleich dazu die Grundzustandsunschärfe an.

Gequetschtes Licht befindet sich bereits in einer ersten echten Anwendung. Der deutsch-britische Gravitationswellendetektor GEO600 verwendet seit 2010 eine Quetschlichtquelle, die unsere Arbeitsgruppe gebaut hat. Seitdem ist die Empfindlichkeit von GEO600 besser als je zuvor. Mit der Gravitationswellendetektion hat nichtklassisches Licht damit eine Anwendung in der Metrologie. (Bei der Verwendung von nichtklassischen Zuständen in der Metrologie wird oft der Begriff „Quantenmetrologie“ verwendet.) Die Abbildung zeigt die „GEO 600 Quetschlichtquelle“ [1], die rund um die Uhr läuft. Um alle Freiheitsgerade stabil regeln zu können, wurde eine Grundfläche von 1,5m² bebaut. Anfang 2019 wurden auch Advanced LIGO und Advanced Virgo mit gequetschten Lichtquellen ausgestattet.

Eine weitere echte Anwendung könnte es in Zukunft in der optischen Kommunikation geben (dann: „Quantenkommunikation“). 2015 implementierte unsere Gruppe ein neues QKD-Konzept (Quantum Key Distribution) unter Verwendung von gequetschtem Licht. QKD ist die Basis der Quantenkryptographie. Zum ersten Mal war die absolute Sicherheit unabhängig von möglichen Betriebsfehlern oder Geräteausfällen am Empfängerstandort [2].

Seit 2008 produziert die Gruppe die weltweit höchsten Quetschfaktoren und führt Quetschlichtversuche bei 532 nm, 1064 nm und 1550 nm durch [3-6]. Die Abbildung links zeigt die optischen Komponenten eines Quetschlichtresonators bestehend aus einem Resonatorspiegel und einem beschichteten nichtlinearen Kristall. Wird der Kristall beispielsweise mit Licht der Wellenlänge 532nm gepumpt, entstehen über parametrische Abkonversion gequetschte Zustände bei 1064nm. Auch in den nächsten Jahren wird die Forschung an gequetschtem Licht hochaktuell bleiben. Neue Anwendungen verlangen neue Wellenlängen sowie eine Vereinfachung und Verkleinerung der Quetschlichtherstellung. Und nach wie vor werden in der Quantenoptik, Quantenmetrologie und Quanteninformation jedes Jahr neue Konzepte vorgeschlagen, die nur mit gequetschtem Licht getestet werden können.

_{[1] H. Vahlbruch, A. Khalaidovski, N. Lastzka, C. Gräf, K. Danzmann, R. Schnabel, The GEO600 squeezed light source, Class. Quantum Grav. 27, 084027 (2010).}

_{[2] T. Gehring, V. Händchen, J. Duhme, F. Furrer, T. Franz, C. Pacher, R. F. Werner, R. Schnabel, Implementation of continuous-variable quantum key distribution with composable and one-sided-device-independent security against coherent attacks, Nature Communications 6, 8795 (2015).}

_{[3] C. E. Vollmer, C. Baune, A. Samblowski, T. Eberle, V. Händchen, J. Fiurásek, R. Schnabel, Quantum Up-Conversion of Squeezed Vacuum States from 1550 to 532 nm, Phys. Rev. Lett. 112, 073602 (2014).}

_{[4] H. Vahlbruch, M. Mehmet, N. Lastzka, B. Hage, S. Chelkowski, A. Franzen, S. Gossler, K. Danzmann, R. Schnabel, Observation of squeezed light with 10dB quantum noise reduction, Phys. Rev. Lett. 100, 033602 (2008).}

_{[5] T. Eberle, S. Steinlechner, J. Bauchrowitz, V. Händchen, H. Vahlbruch, M. Mehmet, H. Müller-Ebhardt, R. Schnabel, Quantum enhancement of the zero-area Sagnac interferometer topology for gravitational wave detection, Phys. Rev. Lett. 104, 251102 (2010).}

_{[6] M. Mehmet, S. Ast, T. Eberle, S. Steinlechner, H. Vahlbruch, R. Schnabel, Squeezed light at 1550nm with a quantum noise reduction of 12.3 dB, Opt. Express 19, 25764 (2011).}