Field-Widened Multimode Interferometer with Long Time-Bin Delay Using a Multi-Pass Herriott Cell
Diese Arbeit präsentiert und validiert ein passives, feldverbreitertes Multimode-Interferometer unter Verwendung einer Mehrweg-Herriott-Zelle, um ein kompaktes Design mit einer 12-ns-Zeit-Bin-Verzögerung und einem Sichtfeld von zu erreichen, was eine hohe Interferenzsichtbarkeit für räumlich multimode optische Signale in Freiraumkanälen ohne adaptive Optik ermöglicht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine geheime Nachricht mit Lichtblitzen zu senden. In der Welt der Quantenphysik können diese Blitze Informationen auf eine besondere Weise übertragen, die man „Time-Bin-Kodierung“ nennt, wobei die Nachricht darin verborgen ist, wann der Blitz eintrifft, und nicht nur darin, wie hell er ist. Dies ist ein Lieblingstrick, um Quantengeheimnisse durch Glasfaserkabel zu senden, wie sie auch in Ihrem Internet verwendet werden. Aber was, wenn Sie diese Geheimnisse durch die offene Luft senden wollen, zum Beispiel von einem Satelliten zu einer Bodenstation? Dort wird es unordentlich. Die Luft ist voller Turbulenzen, wie etwa Hitzewellen, die über einer Sommerstraße aufsteigen, was den Lichtstrahl verzerrt. Es ist, als würde man versuchen, einen Laserpointer auf ein bewegliches Ziel zu richten, während man auf einem schwankenden Boot steht.
Um dies zu beheben, verwenden Wissenschaftler normalerweise aufwendige, aktive Systeme, die wie ein „intelligenter Spiegel“ wirken, um das Wackeln in Echtzeit zu korrigieren. Aber diese Systeme sind schwer, komplex und verlieren oft viel des kostbaren Lichtsignals. Eine einfachere, „passive“ Lösung besteht darin, einen speziellen Lichtsplitter zu bauen, der ein Interferometer ist, das so nachgiebig ist, dass es nicht darum kümmert, ob der Lichtstrahl wackelt oder verzerrt ist. Der Haken dabei? Um diese „feldverbreiterten“ Interferometer für lange Verzögerungen (um zu warten, bis das Licht eine lange Strecke zurückgelegt hat) funktionsfähig zu machen, müssen sie normalerweise riesig sein, den Platz eines ganzen Raumes einnehmen, oder sie müssen aus schwerem, dichtem Glas gefertigt sein, das schwierig zu bearbeiten ist.
Dies ist das Rätsel, das ein Forscherteam aus Kanada lösen wollte. Sie wollten eine Lichtspaltmaschine bauen, die lange Verzögerungen bewältigen kann, mit unordentlichen, verzerrten Lichtstrahlen arbeitet und dennoch in eine kleine Box passt. Sie haben es nicht nur erträumt, sondern einen Prototyp gebaut und bewiesen, dass es funktioniert.
Das Team unter der Leitung von Ramy Tannous und Kollegen entwarf ein cleveres Gerät, das eine „Herriott-Zelle“ verwendet. Betrachten Sie eine Herriott-Zelle als eine Lichtfalle, bestehend aus zwei gekrümmten Spiegeln, die einander gegenüberstehen. Anstatt das Licht gerade vor und zurück springen zu lassen, ordnen sie die Spiegel so an, dass das Licht in einem Spiralmuster springt und dabei viele Male auf die Spiegel trifft, bevor es entweicht. Es ist wie ein Pinball-Automat, bei dem die Kugel ein Dutzend Mal auf dem Tisch hin und her springt und so eine sehr lange Strecke zurücklegt, während sie sich immer noch innerhalb eines kleinen, kompakten Raums befindet.
Durch das Falten des Lichtpfades in diese Spirale konnten die Forscher eine massive Verzögerung erzeugen – sie ließen das Licht 12 Nanosekunden warten (das sind 12 Milliardstel einer Sekunde) – ohne ein Gerät zu benötigen, das Meter lang ist. Normalerweise würde eine Verzögerung von 12 Nanosekunden einen Pfadlängenunterschied von etwa 3,6 Metern erfordern (da Licht etwa 3ok Zentimeter pro Nanosekunde zurücklegt). Durch diesen Multi-Pass-Trick gelang es ihnen, diese lange Reise in einen viel kleineren Raum zu quetschen.
Die eigentliche Magie ist jedoch, dass dieses kompakte Design auch „feldverbreitert“ ist. Auf Deutsch gesagt bedeutet dies, dass das Gerät unglaublich nachgiebig ist. Wenn der Lichtstrahl in einem leicht seltsamen Winkel eintritt oder durch die Atmosphäre verzerrt wird, funktioniert das Gerät dennoch perfekt. Die Forscher testeten dies, indem sie Licht auf zwei Arten durch ihr Gerät schossen: erstens mit einem perfekten, glatten Laserstrahl und zweitens mit einem unordentlichen, „multimodalen“ Strahl, der so manipuliert wurde, dass er wie Licht aussah, das durch eine turbulente Atmosphäre reist.
Die Ergebnisse waren beeindruckend. In ihren Simulationen und mit ihrem physischen Prototyp behielt das Gerät eine „Visibility“ (ein Maß dafür, wie gut die Lichtwellen interferieren, um ein klares Signal zu erzeugen) von über 0,9, selbst mit den unordentlichen Strahlen. Als sie es mit einem echten Laser testeten, maßen sie eine Visibility von 0,97 für glattes Licht und 0,95 für das unordentliche Licht. Selbst als sie einen gepulsten Laser verwendeten, um tatsächliche Time-Bin-Nachrichten zu erzeugen, und diese durch ein langes, verzerrtes Glasfaserkabel schickten, bevor sie auf ihr Gerät trafen, erreichten sie immer noch eine Visibility von 0,88.
Die Arbeit schließt explizit die Idee aus, dass man massive, raumgroße Aufbauten oder schwere, dichte Materialien benötigt, um diese langen Verzögerungen mit weiten Akzeptanzwinkeln zu erreichen. Sie zeigten, dass die Standard-, unkorrigierten Interferometer (die Art ohne die speziellen Spiegeltricks) kläglich versagen, wenn sich der Winkel des Lichts auch nur minimal ändert, was zu einem Abfall des Signals führt. Das Herriott-Zellen-Design der Forscher hielt jedoch das Signal stark, selbst als sie den Einfallswinkel des Lichts veränderten.
Sie sind sich dieser Ergebnisse sehr sicher, weil sie sich nicht nur auf Computermodelle verlassen haben, sondern einen physischen Prototyp mit Standardspiegeln gebaut und ihn mit echten Lasern bei verschiedenen Farben (532 nm und 785 nm) getestet haben. Sie merkten zwar an, dass die Visibility im gepulsten Laser-Test im Vergleich zum Dauerstrich-Lasertest leicht sank – was wahrscheinlich auf kleine Ungleichgewichte in ihrer Ausrüstung oder auf die langen Pfadverluste zurückzuführen ist –, aber sie bestätigten, dass das Gerät die 12-Nanosekunden-Verzögerung und die unordentlichen Lichtbedingungen erfolgreich bewältigt.
Kurz gesagt haben die Forscher einen Weg demonstriert, einen „intelligenten“ Lichtsplitter zu bauen, der klein genug für einen Satelliten ist, robust genug für die wackelige Atmosphäre und schnell genug, um Quantengeheimnisse sicher zu halten. Es ist ein Schritt, um die Quantenkommunikation durch die Luft praktikabler zu machen, und beweist, dass man keine riesige Maschine braucht, um große Wissenschaft zu betreiben.
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