Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und der Leibniz Universität Hannover haben einen Erfolg vermeldet, der den Ansatz zum Bau von Quantenrechnersystemen grundlegend verändern könnte. Erstmals in der Geschichte der Experimentalphysik ist es Wissenschaftlern gelungen, eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und akustischen Schwingungen direkt in einer Standard-Glasfaser herzustellen — ohne den Einsatz von Mikroresonatoren, die bisher das einzige Werkzeug zur Realisierung einer solchen Kopplung waren. Nach Angaben der Autoren der Arbeit ebnet das Ergebnis den Weg zur Vereinfachung der Architektur von Quantenprozessoren und, was besonders wichtig ist, zur Lösung eines der drängendsten Probleme von Quantenplattformen: der Schaffung eines effizienten Quantenspeichers.
Physik des Prozesses: Stimulierte Brillouin-Streuung in der Faser
Dem Experiment liegt der Prozess der unelastischen Lichtstreuung an akustischen Phononen zugrunde, in der Physik als stimulierte Brillouin-Streuung bekannt. Dabei verändern akustische Wellen den Brechungsindex des Mediums, in dem sie sich gemeinsam mit dem Licht ausbreiten, und wirken so auf die Photonen ein. Im Gegenzug tauschen Photonen Energie mit Phononen aus — und Energie ist bekanntermaßen Informationsträger. Die größte Schwierigkeit für die Forscher bestand darin, dass Licht gewöhnliche Glasfasern mit enormer Geschwindigkeit durchquert und nur auf einem begrenzten Abschnitt, praktisch einmalig, mit der akustischen Welle wechselwirkt. In Mikroresonatoren hingegen durchläuft das Licht denselben Bereich millionen- oder zigmillionenfach, was das Regime der starken Wechselwirkung gewährleistet. Die Wissenschaftler überwanden diese Einschränkung, indem sie bewiesen, dass bereits ein einmaliger Durchgang von Licht durch einen Faserabschnitt, in dem es mit einer Schallwelle „kollidiert“, ausreicht, um eine starke Wechselwirkung nachzuweisen.
Experiment bei 4 K: Wie die starke Kopplung nachgewiesen wurde
Das Experiment wurde bei einer Kühlung der Glasfaser auf eine Temperatur von 4 K durchgeführt, was etwa −269 °C entspricht. Die Forscher leiteten Licht durch die gekühlte Faser und registrierten eine charakteristische Lücke in der spektralen Antwort des Systems. Genau das Vorhandensein einer solchen Lücke ist ein diagnostisches Merkmal für das Regime der starken Wechselwirkung zwischen Licht und akustischen Schwingungen — in Mikroresonatoren zeigt sich ein ähnliches Regime auf dieselbe Weise. Die erhaltene spektrale Antwort bestätigte somit, dass in einer Standardfaser Bedingungen reproduziert werden konnten, die zuvor nur in speziell konstruierten Resonatorstrukturen erreichbar waren.
Warum dies die Quantencomputer-Architektur vereinfacht
Der Verzicht auf Mikroresonatoren zugunsten von Standard-Glasfasern verändert das ingenieurtechnische Bild grundlegend. Glasfaser ist bereits eine bestehende Telekommunikationsinfrastruktur, die im Maßstab makroskopischer Objekte und Größen arbeitet. Wenn ein Faserabschnitt, der beispielsweise zwei Quantencomputer in benachbarten Laborräumen verbindet, die Funktionen eines Quantenprozessors oder eines Speicherpuffers erfüllen kann, entfällt die Notwendigkeit komplexer Resonatorstrukturen. Die starke Wechselwirkung von Licht und Schall in einem solchen Fasersegment findet vor dem Verlust der Kohärenz statt, wodurch es sowohl für die Verarbeitung von Quantensignalen als auch für deren temporäre Pufferung genutzt werden kann. Akustische Wellen breiten sich wesentlich langsamer aus als optische oder Mikrowellensignale in Quantenprozessoren, und der Quantenspeicher bleibt einer der schmerzhaftesten Schwachpunkte moderner Quantenplattformen.
Perspektiven: Von der Signalumwandlung zur Quantenphysik in der makroskopischen Welt
Das erzielte Ergebnis schafft die Grundlage für die Weiterforschung der Quantensignalverarbeitung mit der vorgeschlagenen Methode. Perspektivisch wird die Wechselwirkung von Licht mit akustischen Schwingungen die Umwandlung von Signalen zwischen optischen Frequenzen und dem Mikrowellenbereich ermöglichen, in dem viele Quanten Rechengeräte arbeiten. Mit anderen Worten: Das Mikrowellensignal am Ausgang eines Quantenprozessors könnte direkt in der Faser in ein optisches Signal umgewandelt und über Standard-Telekommunikationsmethoden weitergeleitet werden. Darüber hinaus eröffnet die neue experimentelle Plattform die Möglichkeit, die Quanteneigenschaften mechanischer Schwingungen in relativ massiven Objekten wie Glasfasern zu untersuchen. Dies überträgt Quantenphänomene im Wesentlichen in die Welt klassischer Geräte und macht die Quantenwissenschaft einem breiteren Kreis von Forschern zugänglich, die keine spezialisierte Resonatorinfrastruktur benötigen.
