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Schluss mit Staus auf den Datenautobahnen

05/12/2016

Daten via Glasfaserkabel mit Hilfe von Photonen zu transportieren, kostet viel Energie. Eine sparsamere Variante hat jetzt ein Team von Physikern aus Deutschland entdeckt. Die Lichtquellen, die dabei zum Einsatz kamen, stammen aus Labors der Universität Würzburg.

Elektronenmikroskop-Aufnahme der in Würzburg entwickelten Nanolaser. (Foto: Sven Höfling)
Elektronenmikroskop-Aufnahme der in Würzburg entwickelten Nanolaser. (Foto: Sven Höfling)

Jeder, der schon mal auf der Autobahn unterwegs war, kennt das Phänomen der Clusterbildung. Wenn genügend Autos unterwegs sind und diese mit statistisch zufällig verteilten Geschwindigkeiten fahren, dann ist es wahrscheinlich, dass sich Gruppen von Autos bilden, die sich gegenseitig ausbremsen – im Extremfall bis zum Stillstand. Damit die Autos mit genügend großem Abstand und gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit fahren, müssten sie aufeinander reagieren oder, wie Physiker sagen, in Wechselwirkung treten.

Energieintensiver Datentransport mit Photonen

Nicht unähnlich könnte es in Zukunft Photonen – also Teilchen, aus denen Lichtstrahlen bestehen – auf den Datenautobahnen des Internets ergehen. Schon heute wird ein großer Teil der Datenübertragung über Glasfaserkabel abgewickelt. Dort sind Lichtpulse unterwegs, die von Halbleiterlasern an den Verbindungsstellen erzeugt werden. Jeder einzelne Lichtpuls enthält viele Tausende von Photonen, deren Ankunft beim Empfänger jeweils ein Datenbit signalisieren. Eine Milliarde solcher Datenpakete werden pro Sekunde in einem Gigabit-Netzwerk übertragen.

Weil der Datenfluss im Internet permanent steigt, ist es schon aus Gründen der Energieeinsparung geboten, die Zahl der Photonen in einem Signalpuls zu reduzieren, schließlich muss für jedes erzeugte Photon eine bestimmte Energiemenge aufgewendet werden. Ein Weg in diese Richtung zeichnet sich bereits ab: Schon seit einigen Jahren können Physiker Lichtquellen bauen, bei denen die Lichtpulse nur noch aus wenigen, im Extremfall nur noch aus einzelnen Photonen bestehen. Dies ermöglicht nicht nur große Energieeinsparungen, sondern mit einzelnen Photonen sind auch abhörsicher und vor Manipulationen von außen geschützte Datenübertragungen möglich.

Spezielle Nanolaser aus Würzburg

Photonen und Autofahrer mit durchgetretenem Gaspedal haben allerdings eine wichtige Gemeinsamkeit: Sie wechselwirken nicht mit ihresgleichen. Photonen tragen damit eine ganz charakteristische Signatur ihres Erzeugungsprozesses. Physiker aus Dortmund um Professor Manfred Bayer können in ihren Experimenten die in Lichtpulsen auftretenden einzelnen Photonen sichtbar machen, ähnlich den einzelnen Autos im Verkehrsstrom einer Straße.

Dabei verwenden sie spezielle Nanolaser, die an der Universität Würzburg in einem Team um Professor Sven Höfling hergestellt werden. Das Besondere an diesen Nanolasern ist, dass ihre Lichtpulse nur wenige Photonen enthalten.

Theoretische Physiker um die Professoren Frank Jahnke an der Universität Bremen und Jan Wiersig an der Universität Magdeburg konnten jetzt zeigen, dass die Photonen eines Nanolasers, den man auf ganz schwache Lichtleistung einstellt, sich so verhalten, wie die Autos auf der vollen Autobahn. Sie zeigen eine charakteristische Clusterbildung: Kommt ein Photon, dann gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass gleich noch ein zweites oder weitere unmittelbar danach folgen. Wird die Ausgangslichtleistung erhöht, dann entstehen zwar mehr Photonen, sie halten jedoch mehr Abstand. Genau dies zeigen auch die Experimente in Dortmund.

Umso bemerkenswerter ist das final  gefundene Ergebnis. Eine Verabredung der Photonenquellen, welche die einzelnen Photonen aussenden, stellt eine äußerst selten anzutreffende Situation dar, die von Physikern als Superradianz bezeichnet wird. Im Falle von Superradianz, der in den Nanolasern aus Würzburg gefunden wurde, zeigen die Photonen eine Bildung von Super-Clustern.

Während so etwas auf der Autobahn den Verkehr total zum Erliegen bringt, rasen die Photonen weiter mit Lichtgeschwindigkeit durch die Glasfasern, allerdings in Verbünden mit ganz charakteristischen Korrelationen. Und gerade mit Korrelationen zwischen Photonen könnte man in Zukunft viel effizienter Informationen im Internet übertragen, statt mit der bisherigen Methode, in der ein ganzer Lichtpuls nur ein einzelnes Bit darstellt.

Die Ergebnisse der Kooperation zwischen den Wissenschaftlern der vier Universitäten Bremen, Dortmund, Magdeburg und Würzburg sind am 10. Mai in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Giant photon bunching, superradiant pulse emission and excitation trapping in quantum-dot nanolasers. Frank Jahnke, Christopher Gies, Marc AXmann, Manfred Bayer, H.A.M. Leymann, Alexander Foerster, Jan Wiersig, Christian Schneider, Martin Kamp & Sven Höfling. DOI: 10.1038/ncomms11540

Kontakt

Prof. Dr. Sven Höfling Sven, Lehrstuhl für Technische Physik
T: (0931) 31-83613

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