Doppelte Wege für Signale

Die Weiterleitung von Signalen und ihre Isolierung gegen Rauschen und Rück­reflexionen sind in vielen praktischen Situationen in der klassischen Kommunikation, aber auch in der Quanten­verarbeitung unerlässlich. In einer theoretisch-experimentellen Zusammen­arbeit gelang einem Forschungsteam unter der Leitung von Andreas Nunnenkamp von der Universität Wien und Ewold Verhagen vom Forschungsinstitut Amolf in Amsterdam der Transport von Signalen in Paaren von Einbahnstraßen. Diese Forschungs­arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für flexiblere Bauelemente zur Weiter­leitung und Verstärkung von Signalen.

Bauelemente, die Signale weiterleiten, die zum Beispiel von Licht- oder Schallwellen übertragen werden, sind in vielen praktischen Situationen unerlässlich. Dies ist unter anderem bei der Quanten­informations­verarbeitung der Fall, wo die Zustände des Quanten­computers verstärkt werden müssen, um sie auszulesen – ohne dass sie durch das Rauschen des Verstärkungs­prozesses verfälscht werden. Deshalb sind Bauelemente, die Signale in einem Einwegkanal übertragen können – wie beispiels­weise Isolatoren oder Zirku­latoren – sehr gefragt. Derzeit sind solche Bauelemente jedoch verlustbehaftet, sperrig und erfordern starke Magnetfelder, die die Zeitumkehr­symmetrie brechen, um den Signaltransport in eine Richtung zu erreichen. Aufgrund dieser Einschränkungen bemüht man sich intensiv um Alter­nativen, die weniger Platz benötigen und nicht auf Magnetfelder angewiesen sind.

Die neue Studie stellt eine neue Klasse von Systemen vor, die durch eine Quadratur-Nicht­reziprozität gekennzeichnet sind. Das Phänomen nutzt die Interferenz zwischen zwei unter­schiedlichen physi­kalischen Prozessen aus. Bei der Überlagerung dieser Prozesse kann es zur Auslösung oder Verstärkung kommen. Dies ermöglicht eine Übertragung von Signalen in nur eine Richtung und führt zu einer ausgeprägten Abhängig­keit von der Phase des Signals, also der Quadratur. „In diesen Bauelementen hängt die Übertragung nicht nur von der Richtung des Signals ab, sondern auch von der Quadratur des Signals“, sagt Clara Wanjura. „Damit wird eine zweispurige Autobahn für Signale realisiert: Eine Quadratur wird in die eine Richtung und die andere Quadratur in die entgegen­gesetzte Richtung übertragen. Die Zeitumkehr­symmetrie erzwingt dann, dass die Quadraturen immer paarweise in zwei getrennten Spuren in entgegen­gesetzte Richtungen übertragen werden.“

Die Forschenden von Amolf haben dieses Phänomen in einem nano­mechanischen System experimentell nachgewiesen, bei dem die Wechsel­wirkungen zwischen den mechanischen Schwingungen kleiner Silizium­fäden durch Laserlicht orchestriert werden. Das Laserlicht übt Kräfte auf die Fäden aus und vermittelt dadurch Wechsel­wirkungen zwischen ihren verschiedenen Schwingungen. Amolf-Forscher Jesse Slim sagt: „Wir haben ein vielseitiges experi­mentelles Instrumen­tarium entwickelt, mit dem wir die beiden verschiedenen Arten von Wechselwirkungen kontrollieren können, die für die Umsetzung der Quadratur-Nicht­reziprozität erforderlich sind. Auf diese Weise konnten wir den daraus resultierenden doppelten Einbahn-Transport für Signale experimentell nachweisen.“ Die Arbeit eröffnet neue Möglich­keiten für die Signal­weiterleitung und die quanten­limitierte Verstärkung, mit potenziellen Anwendungen in der Quanten­informations­verarbeitung und -sensorik.

U. Wien / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. C. Wanjura et al.: Quadrature nonreciprocity in bosonic networks without breaking time-reversal symmetry, Nat. Phys., online 13. Juli 2023; DOI: 10.1038/s41567-023-02128-x
• Quantenkontrolle und Quanten-Vielteilchenphysik (A. Nunnenkamp), Fakultät für Physik, Universität Wien