Quanteneigenschaften von Multimodenlicht trotz extremer Verluste beobachtet
Mehr Moden, mehr Möglichkeiten – gequetschtes Licht: Lösung und Herausforderung zugleich.
Die Quanteneigenschaften von Licht sind äußerst empfindlich. Wenn Forschende versuchen, sie zu messen, können bereits geringe Verluste auf dem Weg zum Detektor dazu führen, dass sie verschwinden. Die Eigenschaft schränkt ihre Nutzung außerhalb sorgfältig kontrollierter Umgebungen ein. Ein kollaboratives Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL), hat einen neuen Weg aufgezeigt, mehrere Quantenkanäle des Lichts gleichzeitig zu messen und deren Verschränkung nachzuweisen – selbst wenn fast das gesamte Licht bereits vor Erreichen des Detektors verloren geht. Die kürzlich veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für skalierbare Quantentechnologien.
Das Rauschen des Lichts lässt sich durch „Squeezing“ sogar unter den Level des Schrotrauschen reduzieren. Gequetschtes Licht ist heute eine zentrale Quelle in vielen Quantentechnologien, vom Quantencomputing bis hin zu Präzisionsmessungen. So wird es beispielsweise beim Gravitationswellen-Observatorium LIGO eingesetzt, um die Empfindlichkeit gegenüber extrem schwachen Signalen aus dem Weltraum zu verbessern.
Generell sind alle Quantenzustände des Lichts fragil, gequetschtes Licht jedoch reagiert besonders empfindlich auf Verluste. Nicht nur bei optischen Vorgängen, sondern auch bei der Detektion ist das ein gravierendes Problem: Ein verlustbehafteter Detektor kann genau jene Quanteneigenschaften verbergen, die man messen möchte, wie beispielsweise Rauschunterdrückung und Verschränkung. Der Einsatz des Squeezing war bisher nur eingeschränkt möglich und gleicht dem Versuch, eine Seifenblase unbeschädigt durch ein enges Rohr zu führen.
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In ihrer aktuellen Arbeit erzeugte das internationale Team vom MPL, der Uni Erlangen-Nürnberg, dem Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas und dem Laboratoire Kastler Brossel gequetschtes Licht in mehreren Moden, von denen jede einen unabhängigen Kanal für die Übertragung von Informationen ermöglicht. Der gleichzeitige Umgang mit mehreren Moden von gequetschtem Licht ist technisch jedoch anspruchsvoller als die Handhabung eines einzelnen gequetschten Lichtstrahls.
Anstatt gequetschtes Multimodenlicht direkt zu messen, verstärkten die Forschenden unter der Leitung von Maria Chekhova [🔎] am MPL es zunächst mithilfe eines optischen parametrischen Multimode-Verstärkers (MOPA, s. Bild), der das Signal verstärkt ohne Rauschen hinzuzufügen. Die Messung der Quanteneigenschaften ist so auch bei starken Verlusten möglich. „Die Verstärkung eines Quantenzustands vor der Detektion ist vergleichbar mit dem ordnungsgemäßen Verpacken von zerbrechlichem Glas vor dem Versand“, sagt Mahmoud Kalash, Doktorand an der FAU und Erstautor der Veröffentlichung.
Nach der Verstärkung trennte das Team das Licht mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) in seine einzelnen Moden auf. Das Gerät lenkt jede Mode einzeln in eine andere Richtung, wodurch ein individueller Zugriff möglich wird. Diese Trennung hat einen erheblichen Nachteil: Der Sortiervorgang führt zu extremen Verlusten – mehr als 99,7 % des Lichts gehen vor der Detektion verloren. Unter normalen Bedingungen würden die Quanteneigenschaften vollständig zerstört werden. Da das Signal zuvor verstärkt wurde, bleiben seine Eigenschaften zugänglich. Die Forschenden konnten eine Squeezing-Intensität von bis zu 7,9 dB messen, was einem Sechstel des Rauschpegels eines perfekten Lasers entspricht. Zudem überwachte das Team gleichzeitig acht weitere Moden. Alle wiesen ein signifikantes Squeezing und eine hohe Reinheit auf und Modengruppen zeigten Quantenverschränkung – im Bild dargestellt durch Knoten mit Verbindungen am Eingang des MOPA.
Die Ergebnisse zeigen, dass Multimoden-Quantenlicht selbst bei extremen Verlusten gemessen werden kann. Die Forscher demonstrierten, wie sich Einschränkungen bei der Detektion komplexer Quantenzustände überwinden lassen, und bieten einen praktischen Weg hin zu realisierbaren hochdimensionalen Quantentechnologien. „Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die hochdimensionale Quanteninformationsverarbeitung. Interessant ist das insbesondere im Bereich des Quantencomputings mit komplexen Netzwerken, in denen viele Moden gleichzeitig Informationen verarbeiten können“, sagt Mitautor Marcello Passos, Forschungsgruppenleiter am CBPF. [MPL / dre]
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Max-Planck-Institut für die Physik des LichtsStaudtstr. 2
91058 Erlangen
Deutschland
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