Photonen blitzschnell manipulieren
Kryogene Schaltung ermöglicht rasant schnelle Steuerung einzelner Lichtquanten.
Wissenschaftler der Universität Paderborn haben einen weiteren Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenforschung erzielt: Sie demonstrierten erstmals eine kryogene Schaltung, mit der die Steuerung von Lichtquanten schneller als zuvor möglich ist. Konkret haben die Forscher einen Weg gefunden, aus einzelnen Photonen bestehende Lichtpulse mit Schaltkreisen aktiv zu manipulieren. Dieser Meilenstein könnte die Entwicklung moderner Technologien in der Quanteninformatik, Kommunikation und Simulation erheblich vorantreiben.
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Für die Verarbeitung von Quanteninformationen ist es oft erforderlich, den Zustand eines Photons in Echtzeit zu messen und darauf basierend den Lichtstrom aktiv zu steuern – eine Methode, die „Feedforward-Operation" genannt wird. Bisher gab es jedoch technische Grenzen: Messung, Verarbeitung und Steuerung des Lichts gingen mit Zeitverzögerungen einher, was die Nutzung in komplexen Anwendungen einschränkt. Mit ihrer neuen Methode ist es den Forschern gelungen, diese Zeitverzögerung erheblich zu reduzieren – auf weniger als eine Viertelmilliardstel Sekunde.
„Wir haben es geschafft, Lichtpulse mit den Detektoren, der angepassten Elektronik und optischen Schaltkreisen bei kryogenen Temperaturen aktiv zu verschalten. Dadurch konnten wir wesentlich schneller als andere Arbeitsgruppen Einzelphotonen manipulieren. Diese Möglichkeit erlaubt es uns, neue aktive Schaltungen in der Quantenoptik zu realisieren, die für verschiedene Anwendungen genutzt werden können“, erklärt Frederik Thiele, der das Projekt federführend mit Niklas Lamberty, beide Mitglieder der Arbeitsgruppe „Mesoskopische Quantenoptik“ am Paderborner Department Physik, umgesetzt hat.
Für diese Entwicklung verwendeten die Forscher modernste Technologien wie supraleitende Detektoren. Die Geräte messen einzelne Lichtquanten mit extrem hoher Präzision. Die Elektronik wurde in einer kryogenen Umgebung eingesetzt: Verstärker und Modulatoren wurden bei Temperaturen von etwa -270 Grad Celsius betrieben, um Signale ohne größere Verzögerung zu verarbeiten. Integrierte Modulatoren steuerten als optische Bauteile das Licht basierend auf den Messdaten – nahezu verlustfrei und mit hoher Geschwindigkeit.
Das Verfahren basiert auf der Messung von Lichtpaaren, den korrelierten Photonen. Anhand der Anzahl der gemessenen Teilchen entscheidet die elektronische Schaltung in Bruchteilen von Sekunden, ob das Licht weitergeleitet oder blockiert wird. Das Besondere an dem integrierten Aufbau: Physikalische Verluste und Zeitverzögerungen konnten auf ein Minimum reduziert werden. Neben der schnellen Reaktion erzeugt die Schaltung so auch weniger Wärme, was bei der Arbeit auf kleinstem Raum in Kryostaten essenziell ist.
„Unsere Demonstration zeigt, dass wir mit supraleitender und halbleitender Technologie eine neue Ebene der photonischen Quantensteuerung erreichen können. Das eröffnet Möglichkeiten für schnelle und komplexe Quantenschaltungen, die für die Quanteninformatik und Kommunikation von entscheidender Bedeutung sein können“, fasst Thiele zusammen.
U. Paderborn / DE
