Chiral Nonlinear Optics and Optical Control

Licht verhält sich normalerweise mit einer gewissen Fairness. Wenn man einen Lichtstrahl durch einen Spiegel oder eine Linse schickt, funktioniert die Physik, die seinen Pfad bestimmt, auf die gleiche Weise, egal ob das Licht vorwärts oder rückwärts wandert. Dieses Prinzip, bekannt als Reziprozität, bedeutet, dass Licht in den meisten Materialien nicht in nur eine Richtung gezwungen werden kann, ohne sperrige Magnete oder komplexe mechanische Teile zu verwenden. Doch in der mikroskopischen Welt der Quantenphysik, in der einzelne Lichtteilchen mit einzelnen Atomen interagieren, kann diese Regel gebrochen werden. Wissenschaftler haben entdeckt, dass sie – indem sie einen winzigen Quantenemitter (ein System, das nur in zwei Energiezuständen existieren kann, wie ein einfaches Atom) neben einen speziellen Wellenleiter platzieren – den Emittenten dazu bringen können, nur mit Licht zu kommunizieren, das sich in eine einzige Richtung bewegt. Dieses Phänomen, die chirale Quantenoptik genannt, ermöglicht die Schaffung von Einbahnstraßen für das Licht, was für den Bau zukünftiger Quantennetzwerke und Quantencomputer essenziell ist. Während Forscher schon lange wissen, wie sie diesen Einweg-Effekt mit einer einzigen Farbe des Lichts erreichen können, untersucht eine neue Studie, was passiert, wenn zwei verschiedene Farben des Lichts gleichzeitig mit demselben Emittenten interagieren, was eine verborgene Komplexität offenbart, die die Art und Weise, wie wir Licht auf kleinsten Skalen steuern, verändert.

In einer aktuellen Studie haben Forscher der Queen's University in Kanada ein neues mathematisches Modell entwickelt, um zu verstehen, wie sich zwei verschiedene Lichtstrahlen – einer starker und einer sehr schwacher – verhalten, wenn sie beide auf einen einzelnen Quantenemitter innerhalb eines Wellenleiters treffen. Der starke Strahl fungiert dabei als Steuerung (Control), während der schwache Strahl als Signal dient. In früheren Experimenten und Theorien nahmen Wissenschaftler oft an, dass die Interaktion zwischen diesen beiden Strahlen unkompliziert sei, ähnlich wie zwei Wellen, die sich in einer symmetrischen Umgebung einfach addieren oder gegenseitig auslöschen könnten. Die Forscher stellten diese Annahme infrage. Sie fanden heraus, dass die Interaktion weitaus komplizierter wird, wenn der Emittent in einem chiralen Aufbau platziert ist, bei dem er nur mit Licht koppelt, das sich in eine einzige Richtung bewegt. Der starke Steuerstrahl verweilt nicht einfach nur dort; er formt die Art und Weise, wie der schwache Signalstrahl das System passiert, aktiv um. Durch die Verwendung eines spezifischen mathematischen Ansatzes, dem sogenannten Green-Tensor-Formalismus, war es dem Team möglich, die Effekte des Steuerstrahls von denen des Signalstrahls in ihren Berechnungen zu trennen – ein Schritt, den frühere Modelle oft übersehen hatten. Dies ermöglichte es ihnen, die wahre Stärke der Interaktion zu sehen, die in früheren Vorhersagen durch die Anwesenheit der Steuer-Photonen verschleiert worden war.

Die Ergebnisse dieser Simulationen sind beeindruckend. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Modulation des starken Steuerstrahls den schwachen Signalstrahl manipulieren können, welcher während der Zeit, die der Emittent zur Reaktion benötigt, im Durchschnitt weniger als ein einzelnes Photon enthält. In einem standardmäßigen, symmetrischen Aufbau, in dem der Emittenter mit Licht in beide Richtungen kommuniziert, ist die Fähigkeit, das Signal zu verändern, begrenzt. In dem chiralen Aufbau hingegen sagten die Forscher voraus, dass sie eine vollständige Blockierung des Signals, bekannt als Einheitsextinktion (Unity Extinction), oder sogar eine Verstärkung des Signals um bis zu 30 Prozent erreichen könnten. Diese Verstärkung ist etwa hundertmal stärker, als es Standardmodelle vorhersagen, wenn die Steuer-Photonen noch bei der Messung präsent sind. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass sie die Phase des Signallichts – also das Timing seiner Wellenberge und -täler – steuern können, indem sie es irgendwo zwischen null und 180 Grad verschieben. Diese Phasenverschiebung ist ein entscheidendes Werkzeug für Quantengatter (Quantum Logic Gates), welche die Bausteine von Quantencomputern sind. Entscheidend ist, dass die Studie darauf hindeutet, dass diese Effekte robust sind, was bedeutet, dass sie auch dann Bestand haben, wenn der Emittenter nicht perfekt ist oder wenn es ein gewisses Umweltrauschen gibt – ein häufiges Problem bei realen Quantengeräten.

Die Studie befasste sich auch mit einer praktischen Hürde bei der Messung dieser Effekte. In einem echten Experiment ist es schwierig, zwischen dem Signallicht und dem gestreuten Licht des starken Steuerstrahls zu unterscheiden, da sie oft miteinander vermischt werden. Die Forscher entwickelten eine Methode, um die Steuer-Photonen mathematisch herauszufiltern, wodurch die reine Dynamik des Signals sichtbar wurde. Als sie dies taten, stellten sie fest, dass das Verhalten des Signals weita viel dramatischer war als bisher angenommen. In symmetrischen Geometrien ändert sich die Transmission des Signals nur geringfügig, aber in der chiralen Geometrie sind die Veränderungen tiefgreifend. Das Team beobachtete, dass die destruktive Interferenz zwischen dem Licht und dem Emittenten das Signal in einen Zustand zwingen konnte, in dem es fast vollständig blockiert oder konsequenterweise signifikant verstärkt wird. Sie stellten zudem fest, dass die Intensität des Lichts zwar kontrolliert werden konnte, die Phase des Lichts jedoch stabil und abstimmbar blieb, was eine zuverlässige Möglichkeit bietet, Quanteninformationen zu steuern.

Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg für die Steuerung von Licht durch Licht, ohne die Notwendigkeit elektronischer Schalter oder Magnetfelder. Indem sie demonstrierten, dass ein einzelner Quantenemitter als leistungsstarker, abstimmbarer Schalter für einen schwachen Signalstrahl fungieren kann, wenn er von einem stärkeren Steuerstrahl geleitet wird, haben die Forscher einen Entwurf für eine effiziente rein optische Steuerung geliefert. Die Fähigkeit, solch starke nichtlineare Effekte mit so wenigen Photonen zu erzielen, deutet darauf an, dass zukünftige Quantennetzwerke mit Komponenten gebaut werden könnten, die kleiner, schneller und energieeffizienter sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die chirale Natur der Interaktion nicht nur eine Kuriosität der Quantenmechanik ist, sondern ein funktionaler Vorteil, der genutzt werden kann, um die nächste Generation der photonischen Technologien zu entwickeln. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Wissenschaftler durch das Verständnis und die Nutzung dieser komplexen, mehrfarbigen Interaktionen der Realisierung zuverlässiger Quantengatter und Netzwerke, die vollständig mit Licht operieren, näher kommen können.