Multicolor nonlinear chiral quantum optics: beyond phase

In het domein van licht en materie bestaat een bijzondere regel die wetenschappers al lang bijstaat in hun denken over het beheersen van fotonen. Wanneer een enkel lichtdeeltje, een foton, een minuscule kwantumemitter tegenkomt – zoals een atoom of een molecuul – die in een pad is ingebed, hangt de interactie gewoonlijk af van de richting waarin het licht reist. Als de emitter perfect symmetrisch is, werkt deze als een spiegel en reflecteert het licht terug de weg waar het vandaan kwam. Maar als de emitter "chiraal" is, wat betekent dat hij een handigheid heeft die één richting boven de andere bevoordeelt, gedraagt hij zich anders. In deze chirale staat reflecteert de emitter het licht niet; in plaats daarvan laat hij het foton volledig doorgaan, maar verandert hij de timing van de golf, een eigenschap die bekend staat als fase. Decennialang was dit de geaccepteerde limiet: chirale interacties konden de fase van het licht draaien, maar ze konden de helderheid van het licht niet veranderen. Dit onderscheid vormde de basis voor het bouwen van optische schakelaars en logische poorten, waarbij het doel vaak is om een bit om te zetten zonder het signaal te verliezen.

Echter, een team van onderzoekers aan Queen's University in Canada heeft ontdekt dat deze regel drastisch verandert wanneer een tweede lichtstraal wordt geïntroduceerd. Door een sterke "controle"-straal toe te voegen die samen met een zwakkere "signaal"-straal interageert met dezelfde kwantumemitter, ontdekten zij dat het systeem zijn eigen beperkingen doorbreekt. De emitter verandert de timing van het signaal niet langer alleen; hij verandert actief de helderheid van het signaal. In een verrassende wending bleek dat hoewel de symmetrische opstelling een sterkere signaalextinctie (verzwakking) kan bereiken dan de chirale, de chirale geometrie aanzienlijk krachtiger is in het versterken van het signaal. Deze bevinding suggereert een nieuwe manier om licht te manipuleren op het niveau van slechts enkele fotonen, wat potentieel kan leiden tot efficiëntere instrumenten voor toekomstige kwantumnetwerken en ultra-gevoelige optische versterkers.

De onderzoekers begonnen met het opzetten van een theoretisch model van een kwantumemitter binnen een golfgeleider, een microscopisch kanaal dat licht geleidt. In hun geïdealiseerde scenario is de emitter zo sterk gekoppeld aan licht dat in één richting reist, dat het dit nooit terug reflecteert. Vervolgens introduceerden zij twee verschillende stromen licht: een zwakke signaalstraal die informatie draagt en een veel sterkere controlestraal. Wanneer alleen het signaal aanwezig was, gedroeg de emitter zich zoals verwacht: hij liet het licht door terwijl hij de fase verschoof. Maar toen de controlestraal werd ingeschakeld, veranderde dit de energielandschap van de emitter fundamenteel. De controlestraal "kleedde" de emitter effectief, waardoor een complex nieuw scala aan energietoestanden ontstond die een overdracht van energie tussen de twee lichtstralen mogelijk maakte.

Deze energieoverdracht is de sleutel tot het nieuwe gedrag. In plaats van simpelweg licht te reflecteren of de fase te verschuiven, begon de emitter energie van de controlestraal naar de signaalstraal te verplaatsen, of vice versa, afhankelijk van de specifieke afstemming van het systeem. De onderzoekers observeerden dat dit proces resulteerde in een significante verandering in de amplitude, of helderheid, van het signaal. In de chirale configuratie ontdekten zij dat het signaal met maximaal 30 procent kon worden versterkt. Dit is een aanzienlijk effect voor een systeem dat slechts enkele fotonen bevat. In contrast hiermee, toen zij dezelfde interactie modelleerden met een symmetrische emitter – één die beide richtingen van het licht gelijk behandelt – was de maximale versterking slechts ongeveer 12 procent. De chirale geometrie bleek er dus drie keer efficiënter in te zijn om het signaal te versterken dan de symmetrische opstelling, ook al kon de symmetrische opstelling het signaal effectiever dempen bij lage vermogens.

Het mechanisme achter deze versterking berust op een delicaat evenwicht. De controlestraal moet sterk genoeg zijn om de niet-lineaire interactie aan te drijven, maar niet zo sterk dat de kwantumcoherentie van het systeem wordt verstoord. De onderzoekers brachten in kaart hoe de helderheid van het signaal veranderde naarmate zij het vermogen van de controlestraal en het frequentieverschil tussen het licht en de emitter aanpasten. Zij ontdekten dat de versterking piekt bij een specifiek vermogensniveau, waar de niet-lineaire respons het sterkst is voordat het systeem begint zijn kwantumeigenschappen te verliezen. In het chirale geval is deze piek niet alleen hoger, maar ook robuuster tegen het verlies van het signaal dat gewoonlijk optreedt in symmetrische systemen, waar een deel van het licht onvermijdelijk wordt gereflecteerd en verloren gaat.

Een van de meest opvallende aspecten van dit werk is dat het deze controle bereikt zonder enige reflectie. In traditionele opstellingen houdt het veranderen van de helderheid van een signaal vaak in dat een deel van het licht wordt gereflecteerd, wat energie verspilt. Hier zorgt de chirale geometrie ervoor dat alle energie binnen de voorwaarts bewegende stralen blijft, waarbij het simpelweg tussen de controlestraal en de signaalstraal wordt verschoven. Deze coherente overdracht betekent dat wanneer het signaal wordt versterkt, de controlestraal een kleine hoeveelheid energie verliest, en wanneer het signaal wordt gedimd, die energie wordt teruggegeven aan de controlestraal. De onderzoekers bevestigden dat energie behouden blijft in dit proces, waarbij de veranderingen in de controlestraal veel kleiner zijn in grootte omdat de controlestraal zelf veel sterker is dan het signaal.

Deze ontdekking daagt de langdurig geaccepteerde opvatting uit dat chirale kwantumoptica beperkt is tot fase-manipulatie. Door aan te tonen dat amplitude-modulatie niet alleen mogelijk is, maar ook superieur is in een chirale opstelling voor versterking, opent het werk een nieuw regime voor het beheersen van licht. Het vermogen om zwakke signalen met 30 procent te versterken met slechts enkele fotonen suggereert een pad naar uiterst efficiënte optische apparaten die niet de enorme energie-inputs van klassieke versterkers vereisen. Hoewel de huidige resultaten gebaseerd zijn op theoretische simulaties van een ideaal systeem, bieden ze een duidelijk stappenplan voor experimenteel onderzoekers. Indien deze effecten in het laboratorium kunnen worden gerealiseerd, zouden ze kunnen leiden tot de ontwikkeling van optische isolatoren, circulatoren en kwantumlogische poorten die werken met ongekende efficiëntie, wat ons dichter bij de praktische realisatie van complexe kwantumnetwerken brengt.