Sannolikheten att hitta ett visst antal fotoner inuti en laserpuls motsvarar vanligtvis en klassisk fördelning av oberoende händelser, den så kallade Poisson-distributionen. Det finns, dock, ljuskällor med icke-klassiska fotonantalsfördelningar som bara kan beskrivas med kvantmekanikens lagar. Ett välkänt exempel är enfotonkällan som kan hitta tillämpning i kvantkryptografi för hemlig nyckeldistribution eller i kvantnätverk för att ansluta kvantminnen och processorer. Dock, för många tillämpningar inom olinjär kvantoptik ljuspulser med ett visst fast antal fotoner, t.ex. två, tre eller fyra, är mycket önskvärda. Ett team av forskare från Quantum Dynamics Division hos professor Gerhard Rempe vid Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching nära München) har nu lyckats ta de första stegen i denna riktning. Med hjälp av ett starkt kopplat atom-kavitetssystem, de var de första som observerade den så kallade tvåfotonblockaden:systemet avger högst två fotoner samtidigt eftersom dess lagringskapacitet är begränsad till det antalet ( PRL , 31 mars 2017).

Ett naivt tillvägagångssätt för att generera en ström av enstaka fotoner skulle vara att tillräckligt dämpa intensiteten hos en laserstråle. Men i detta fall varierar antalet fotoner fortfarande från puls till puls, och endast vid medelvärde över många pulser observeras ett genomsnittligt fotonantal på en. Applikationer kräver istället ett fast antal på exakt en foton per puls. Fluktuationerna för fotonantalet per puls kan kraftigt reduceras genom att använda en enda atom som en enda fotonkälla. När atomen belyses av en laserstråle, den kan bara absorbera en foton åt gången, därigenom gör en övergång från grundtillståndet till ett upphetsat tillstånd. En andra foton kan bara absorberas efter att atomen fallit tillbaka till grundtillståndet genom att avge en foton. Därför, inte mer än en foton detekteras i det utsända ljusfältet samtidigt, en effekt som är känd som "enkel-fotonblockad".

För att utvidga denna princip till en "tvåfotonblockad" måste man gå bortom en enda atom och leta efter ett system som kan lagra mer än en foton, men inte mer än två. För detta ändamål, MPQ -fysikerna kombinerar den enda atomen med en hålighet som ger ytterligare lagringskapacitet. En hålighet kan absorbera ett obegränsat antal fotoner och uppvisar ett motsvarande stort antal energistatus som ligger - liknande en "stege" - på exakt samma avstånd från varandra. Att införa en enda atom i hålrummet introducerar ett olinjärt element. Detta gör att energinivåerna delas med en annan mängd för vart och ett av "stegen". Därav, laserljus kan bara excitera systemet upp till den nivå som det är inställd på. Antalet fotoner som kan lagras är således begränsat till ett visst antal, och därför, inte fler fotoner än det kan avges.

I experimentet, fysikerna håller en enda rubidiumatom i en optisk fälla inuti en hålighet gjord av två speglar med hög finess. Frekvensen för den inkommande laserstrålen är inställd på en energinivå som kräver absorption av två fotoner för dess excitation. Under fem sekunders atomlagringstid utförs cirka 5000 mätcykler, under vilket systemet bestrålas av en sondlaser och emission från hålrummet registreras via en-fotondetektorer. "Intressant, fluktuationerna i antalet utsända fotoner beror starkt på om vi exciterar hålrummet eller atomen, "påpekar projektledaren Dr Tatjana Wilk." Effekten att absorptionen av två fotoner undertrycker ytterligare absorption som leder till utsläpp av två eller färre fotoner uppnås endast vid atomisk excitation. Denna kvanteffekt visas inte när vi exciterar håligheten. I detta fall, vi observerar en förbättrad signal på tre och fler fotoner per ljuspuls. "

Christoph Hamsen, doktorand vid experimentet, förklarar de bakomliggande processerna:"När atomen är upphetsad har vi att göra med samspelet mellan två motstridiga mekanismer. Å ena sidan, atomen kan bara absorbera en foton åt gången. Å andra sidan, det starkt kopplade atom-kavitetssystemet är resonant med en tvåfotonövergång. Detta samspel leder till en följd av ljus plus med en icke-klassisk fotonfördelning. "Och Nicolas Tolazzi, en annan doktorand, tillägger:"Vi kunde observera detta beteende i korrelationer mellan detekterade fotoner där sammanfallet av tre fotoner signifikant undertrycktes jämfört med förväntningarna för det klassiska fallet."

Professor Gerhard Rempe ger en syn på möjliga förlängningar av experimentet:"För närvarande, vårt system avger ljuspulser med max två fotoner, men också pulser med färre, en eller till och med noll, fotoner. Det fungerar som ett slags "lågpass". Det finns, dock, ett antal applikationer för kvantkommunikation och kvantinformationsbehandling där exakt två, tre eller fyra fotoner krävs. Vårt slutmål är att skapa rena tillstånd där varje ljuspuls innehåller exakt samma önskade antal fotoner. Tvåfotonblockaden som demonstrerades i vårt experiment är det första steget i denna riktning. "Olivia Meyer-Streng