Chiral Nonlinear Optics and Optical Control

Licht gedraagt zich gewoonlijk met een bepaalde rechtvaardigheid. Als je een lichtstraal door een spiegel of een lens stuurt, werkt de fysica die het pad bepaalt op dezelfde manier of het licht nu voorwaarts of achterwaarts reist. Dit principe, bekend als reciprociteit, betekent dat licht in de meeste materialen niet in slechts één richting gedwongen kan worden zonder gebruik te maken van volumineuze magneten of complexe mechanische onderdelen. Echter, in de microscopische wereld van de kwantumfysica, waar individuele lichtdeeltjes interageren met enkelvoudige atomen, kan deze regel worden doorbroken. Wetenschappers hebben ontdekt dat door een minuscule kwantumemitter — een systeem dat slechts in twee energietoestanden kan bestaan, zoals een eenvoudig atoom — naast een speciale golfgeleider te plaatsen, ze de emitter alleen kunnen laten communiceren met licht dat in één richting beweegt. Dit fenomeen, chiral kwantumoptica genoemd, maakt de creatie van eenrichtingsverkeer voor licht mogelijk, wat essentieel is voor het bouwen van toekomstige kwantumnetwerken en computers. Hoewel onderzoekers al lang weten hoe ze dit eenrichtingseffect kunnen bereiken met één kleur licht, onderzoekt een nieuwe studie wat er gebeurt wanneer twee verschillende kleuren licht tegelijkertijd met dezelfde emitter interageren, wat een verborgen complexiteit onthult die verandert hoe we licht op de kleinste schaal kunnen beheersen.

In een recente studie hebben onderzoekers aan Queen's University in Canada een nieuw wiskundig model ontwikkeld om te begrijpen hoe twee verschillende lichtstralen — de ene sterk en de andere zeer zwak — zich gedragen wanneer ze beide een enkele kwantumemitter binnen een golfgeleider raken. De sterke straal fungeert als een controle, terwijl de zwakke straal fungeert als een signaal. In eerdere experimenten en theorieën namen wetenschappers vaak aan dat de interactie tussen deze twee stralen eenvoudig was, vergelijkbaar met hoe twee golven simpelweg kunnen optellen of uitdoven in een symmetrische omgeving. De onderzoekers daagden deze aanname uit. Ze ontdekten dat wanneer de emitter in een chirale opstelling wordt geplaatst, waarbij deze alleen koppelt aan licht dat in één richting beweegt, de interactie veel ingewikkelder wordt. De sterke controlebundel zit er niet alleen maar; het vormt actief de manier waarop de zwakke signaalbundel door het systeem beweegt. Door een specifieke wiskundige benadering te gebruiken die bekend staat als de Green's Tensor-formalisme, slaagde het team erin om de effecten van de controlebundel van de signaalbundel te scheiden in hun berekeningen, een stap die eerdere modellen vaak over het hoofd zagen. Dit stelde hen in staat om de werkelijke kracht van de interactie te zien, die in eerdere voorspellingen werd vertroebeld door de aanwezigheid van de controlefotonen.

De resultaten van deze simulaties zijn opmerkelijk. De onderzoekers ontdekten dat ze door de sterke controlebundel te moduleren, de zwakke signaalbundel konden manipuleren, die gemiddeld minder dan één foton bevat tijdens de tijd die de emitter nodig heeft om te reageren. In een standaard, symmetrische opstelling waar de emitter met licht in beide richtingen communiceert, is de mogelijkheid om het signaal te veranderen beperkt. Maar in de chirale opstelling voorspelde het team dat ze een volledige blokkade van het signaal konden bereiken, bekend als een eenheidsextinctie (unity extinction), of het signaal zelfs met wel 30 procent konden versterken. Deze amplificatie is ongeveer honderd keer sterker dan wat standaardmodellen voorspellen wanneer de controlefotonen nog aanwezig zijn tijdens de meting. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat ze de fase van het signaallicht — de timing van de pieken en dalen van de golf — konden afstemmen door het te verschuiven tussen nul en 180 graden. Deze fasesverschuiving is een cruciaal instrument voor kwantumlógica-poorten, die de bouwstenen zijn van kwantumcomputers. Cruciaal is dat de studie suggereert dat deze effecten robuust zijn, wat betekent dat ze standhouden zelfs als de emitter niet perfect is of als er sprake is van enige omgevingsruis, een veelvoorkomend probleem in real-world kwantumapparaten.

De studie behandelde ook een praktische hindernis bij het meten van deze effecten. In een echt experiment is het moeilijk om het onderscheid te maken tussen het signaallicht en het verstrooide licht van de sterke controlebundel, aangezien deze vaak met elkaar vermengd raken. De onderzoekers ontwikkelden een methode om de controlefotonen wiskundig weg te filteren, waardoor de pure dynamiek van het signaal zichtbaar werd. Toen zij dit deden, ontdekten ze dat het gedrag van het signaal veel dramatischer was dan eerder gedacht. In symmetrische geometrieën verandert de transmissie van het signaal slechts gering, maar in de chirale geometrie zijn de veranderingen diepgaand. Het team observeerde dat de destructieve interferentie tussen het licht en de emitter het signaal bijna volledig kon blokkeren, of omgekeerd, aanzienlijk kon versterken. Ze merkten ook op dat hoewel de intensiteit van het signaal gecontroleerd kon worden, de fase van het licht stabiel en afstembaar bleef, wat een betrouwbare manier biedt om kwantuminformatie te sturen.

Dit werk opent een nieuw pad voor het controleren van licht met licht, zonder de noodzaak van elektronische schakelaars of magnetische velden. Door aan te tonen dat een enkele kwantumemitter kan fungeren als een krachtige, afstembare schakelaar voor een zwakke signaalbundel wanneer deze wordt geleid door een sterkere controlebundel, hebben de onderzoekers een blauwdruk geleverd voor efficiënte all-optische controle. Het vermogen om dergelijke sterke niet-lineaire effecten te bereiken met zo weinig fotonen suggereert dat toekomstige kwantumnetwerken gebouwd kunnen worden met componenten die kleiner, sneller en energie-efficiënter zijn. De bevindingen wijzen erop dat de chirale aard van de interactie niet slechts een curiositeit van de kwantummechanica is, maar een functioneel voordeel dat kan worden aangewend om de volgende generatie fotonische technologieën te bouwen. De studie concludeert dat door het begrijpen en benutten van deze complexe, meerkleurige interacties, wetenschappers dichter bij het realiseren van betrouwbare kwantumlógica-poorten en netwerken die volledig met licht werken, kunnen komen.