Optischer Transistor

Ein optischer Transistor ist ein optischer Schalter und ein rein optisches Bauelement, welches optische Signale schaltet oder verstärkt. Licht, das am Eingang eines optischen Transistors auftritt, verändert die Intensität des vom Ausgang des Transistors emittierten Lichts, während die Ausgangsleistung von einer zusätzlichen optischen Quelle geliefert wird. Da die Intensität des Eingangssignals möglicherweise schwächer ist als die der Quelle, verstärkt ein optischer Transistor das optische Signal.

Der optische Transistor stellt das optische Analogon zu den elektronischen Transistoren und Fototransistoren dar und ist nicht mit diesen elektronischen Halbleiterbauelementen zu verwechseln.

Optische Transistoren bieten eine Möglichkeit, Licht nur mithilfe von Licht zu steuern, und finden Anwendung in optischen Computer- und Glasfaserkommunikationsnetzwerken. Das kürzeste nachgewiesene, rein optische Schaltsignal beträgt 0,9 fs (fs steht für Femtosekunde und entspricht 10⁻¹⁵ s).^[1]

Photonen können unter normalen Bedingungen kaum oder gar nicht wechselwirken. Die Wechselwirkung ist jedoch Voraussetzung für einen optischen Transistor. Es geht darum, ein Medium zu schaffen, das extrem sensitiv auf kleinste Lichtmengen reagiert, und das in der Lage ist, als Schalter selbst ein einzelnes Photon durch ein anderes von transmittierend auf absorbierend zu schalten und somit einen optischen Transistor zu realisieren.^[2][3][4]

Ein Team um Gerhard Rempe der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik zeigte 2010, dass sich die optische Transparenz einzelner, in einem Mikroresonator gefangenen Atome mit Laserpulsen kontrollieren lässt. Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von Werkzeugen für die Quanteninformationsverarbeitung und vertieft das Verständnis, wie das Quantenverhalten einzelner Atome durch Licht gesteuert werden kann.

Dabei wird der EIT-Effekt genutzt. Der Begriff der „Elektromagnetisch Induzierten Transparenz“ (EIT) beschreibt den Effekt, dass die Wechselwirkung zwischen einem schwachen Laserfeld und einem atomaren Medium durch ein zweites Laserfeld kohärent gesteuert und manipuliert werden kann. Um diesen Effekt zu erzielen, wird in der Praxis das Medium mit zwei Laserstrahlen beleuchtet: Unter dem Einfluss des Kontroll-Lasers wird das Medium für den schwachen Teststrahl transparent. Die Anwesenheit eines Atoms führt dagegen normalerweise dazu, dass das Licht reflektiert wird und die Transmission sinkt. Wird das Atom nun zusätzlich senkrecht zur Resonatorachse mit einem Kontroll-Laser beleuchtet, während die Bedingung für EIT erfüllt ist, wird das Atom wieder durchsichtig und maximale Transmission erzielt. Das einzelne Atom arbeitet also wie ein Transistor: es steuert, ob der Resonator Licht durchlässt oder nicht.^[5][6]

Mit Stand Anfang 2024 sind optische Transistoren in einzelnen Laborexperimenten realisiert, haben aber keine breite praktische Anwendung. Spekulativ könnten sie verwendet werden, um die Leistung von Glasfaser-Kommunikationsnetzen zu verbessern. Obwohl zur Datenübertragung Glasfaserkabel in vielen Bereichen praktisch verwendet werden, werden Aufgaben wie die Signalweiterleitungen und Verstärkungen elektronisch erledigt. Dies erfordert eine optisch-elektronisch-optische Wandlung, die Engpässe bildet.

• Steffen Schmidt-Eberle: Ein Photon-Photon-Quantengatter basierend auf Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung. München 2021 (tum.de [PDF]). 
• Darius Urbonas,Thilo Stöferle, Rainer Mahrt: Auf dem Weg zum Rechnen mit Licht: Optische Logikschaltkreise. 3. August 2021 (bulletin.ch). 
• Nadja Podbregar: Optischer Transistor: Ein Photon reicht. Neuartiges Bauteil für die Optoelektronik schaltet bis zu 1.000-mal schneller. In: Scinexx. 21. September 2021, abgerufen am 24. Mai 2024. 
• Fouad Sabry: Optischer Transistor: Rechnen mit Lichtgeschwindigkeit. 2022 (google.de). 

1. ↑ Hui, Dandan; Alqattan, Husain; Zhang, Simin; Pervak, Vladimir; Chowdhury, Enam; Hassan, Mohammed Th.: Ultrafast optical switching and data encoding on synthesized light fields. In: Science Advances. Band 9, 24. Februar 2023, ISSN 2375-2548 (science.org). 
2. ↑ Simon Baur, Daniel Tiarks, Gerhard Rempe, and Stephan Dürr: Single-Photon Switch Based on Rydberg Blockade. In: Phys. Rev. Lett. Band 112, 18. Februar 2014 (aps.org). 
3. ↑ Simon Baur: Einzelnes Photon schaltet optischen Transistor. In: Physik in unserer Zeit Datum=2014. S. 268 (k-online.de). 
4. ↑ Universität Bayreuth (Hrsg.): Funktionsweise optischer Transistoren. 28. Oktober 2011 (k-online.de). 
5. ↑ Olivia Meyer-Streng: Einzelne Atome als optische Transistoren. MPQ-Physiker manipulieren die Transparenz von Atomen mit Hilfe von Laserstrahlen. 13. Mai 2010 (mpg.de). 
6. ↑ Mücke, M., Figueroa, E., Bochmann, J. et al: Electromagnetically induced transparency with single atoms in a cavity. In: Nature. Band 465, 15. Mai 2010, S. 755–758 (nature.com).