Forschung

Manipuliertes Licht für Quantencomputer

27.06.2022 - Nanostrukturen wandeln Infrarotlicht in sichtbares Licht um.

Forschende der Universität Paderborn um Thomas Zentgraf haben nun in Koopera­tion mit Kollegen der Australian National University und der Singapore University of Technology and Design eine neue Techno­logie zur Manipulation von Licht entwickelt, die als Grundlage zukünftiger optischer Quanten­computer dienen kann. Neue optische Elemente zur Manipulation von Licht ermöglichen fort­schrittlichere Anwendungen in der modernen Informations­technologie, insbesondere bei Quantencomputern.

Eine große Heraus­forderung bleibt dabei die nicht-reziproke Lichtausbreitung durch nanostrukturierte Oberflächen, bei denen die Oberflächen auf winzigen Skalen manipuliert wurden. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe für ultra­schnelle Nanophotonik an der Universität Paderborn, sagt: „Während Licht bei der reziproken Ausbreitung den gleichen Weg vorwärts wie rückwärts durch eine Struktur zurücklegen kann, ist die nicht-reziproke Ausbreitung vergleichbar mit einer Einbahnstraße, in der es sich nur in eine Richtung ausdehnen kann.“ Die Nichtrezi­prozität ist in der Optik eine besondere Eigenschaft, die dazu führt, dass das Licht unter­schiedliche Material­eigenschaften hervorbringt, wenn seine Richtung umgekehrt wird. Ein Beispiel wäre ein Fenster aus Glas, das von einer Seite durchsichtig ist und das Licht durchlässt, aber von der anderen Seite betrachtet wie ein Spiegel wirkt und das Licht reflektiert. Man spricht von einer Dualität. „Im Bereich der Photonik kann eine solche Dualität sehr hilfreich sein, um neuartige optische Elemente für die Mani­pulation von Licht zu entwerfen", so Zentgraf.

In inter­nationalen Kooperation wurde eine solche nicht-reziproke Licht­ausbreitung mit einer Frequenz­konversion von Laserlicht kombiniert. „Wir haben die Frequenz­konversion an den speziell designten Strukturen mit Größen im Bereich von wenigen hundert Nanometern genutzt, um das für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotlicht in sichtbares Licht umzu­wandeln“, sagt Sergey Kruk, Marie Curie Fellow in der Gruppe von Zentgraf. Die Experimente zeigen, dass dieser Umwandlungs­prozess nur für eine Beleuchtungsrichtung der nanostruk­turierten Oberfläche stattfindet, während er für die entgegengesetzte Beleuchtungsrichtung vollständig unterdrückt wird. Diese Art der Dualität in den Eigenschaften für die Frequenz­konversion wurde genutzt, um Bilder in eine ansonsten transparente Oberfläche zu kodieren. „Wir haben die Anordnung der verschiedenen Nano­strukturen so gestaltet, dass sie ein unter­schiedliches Bild liefern, wenn die Probenober­fläche entweder von vorne oder von hinten beleuchtet wird“, sagt Zentgraf. „Diese Bilder wurden nur sichtbar, wenn wir infra­rotes Laserlicht zur Beleuchtung verwendet haben.“

In ihren ersten Experimenten war die Intensität des frequenz­gewandelten Lichts im Sichtbaren noch sehr gering. In einem nächsten Schritt soll die Effizienz deshalb weiter gesteigert werden, damit weniger Infrarotlicht für die Frequenz­umwandlung benötigt wird. In zukünftigen optisch-inte­grierten Schaltkreisen könnte die Richtungssteuerung der Frequenz­umwandlung genutzt werden, um Licht direkt mit anderem Licht zu schalten oder um bestimmte Photonen­zustände für quantenoptische Berechnungen direkt auf einem kleinen Chip zu erzeugen. „Vielleicht sehen wir eine Anwendung in zukünftigen optischen Quanten­computern, in denen die gerichtete Erzeugung einzelner Photonen durch Frequenz­konversion eine wichtige Rolle spielt“, sagt Zentgraf.

U. Paderborn / JOL

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