Autobahn statt Kreisverkehr: Starke Kopplung von Licht und Schall in einer optischen Faser
Wissenschaftler*innen haben erstmals den Bereich starker Kopplung zwischen Licht und langlebigen akustischen Schwingungen in einer optischen Faser erreicht. Optische Fasern werden in der klassischen Telekommunikation wie auch der Quantenkommunikation eingesetzt und könnten künftig nicht nur als Verbindung zwischen Rechenknoten dienen, sonders selbst als Quantenprozessor genutzt werden. Die in Nature Physics veröffentlichen Ergebnisse ebnen den Weg für neue Technologien in der Quantensignalverarbeitung.
Mechanische und akustische Schwingungen können genutzt werden, um verschiedene Frequenzbereiche von optischen Frequenzen (Terahertz) über Mikrowellen (Gigahertz) bis hin zu noch niedrigeren Frequenzen (Megahertz oder Kilohertz) umzuwandeln. Das ist zum Beispiel notwendig, um mehrere Quantencomputer, die bei Gigahertz Frequenz arbeiten, über optische Links zu verbinden. Zudem breiten sich akustische Wellen mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit als Licht aus. Somit stellen sie ein Medium dar, das sich langsam bewegende Informationen transportieren kann, was für Speicherzwecke und die vorübergehende Speicherung von Informationen von großem Interesse ist.
Um jedoch eine dieser Verarbeitungsmöglichkeiten durch mechanische Schwingungen für Quanteninformationen nutzen zu können, ist eine Voraussetzung erforderlich: der Bereich starker Kopplung. Dieser Bereich gewährleistet, dass Quanteninformationen ausgetauscht werden, bevor die Informationen aufgrund von Verlusten und Dekohärenz verloren gehen. Dekohärenz beschreibt den Zustand, dass die Wellen nicht mehr im Gleichtakt schwingen. Im Bereich der starken Kopplung kann die Quanteninformation schneller verarbeitet werden: Schneller, als die Geschwindigkeit, mit der Rauschen in das System eindringt, ohne dabei ihre Quanteneigenschaften zu verlieren.
Bislang wurde der Bereich der starken Kopplung in sogenannten optomechanischen Resonatoren erreicht, die man sich als Kreisverkehre für Licht vorstellen kann: Licht rast in den optischen Resonatoren oft eine Million Mal im Kreis und hat dabei die Möglichkeit, sich stark an Schwingungen entlang der Resonatorstrecke zu koppeln. Wenn Licht jedoch durch eine optische Faser läuft, ist das mit dem Fahren auf einer Autobahn vergleichbar: Die optischen Signale rasen in einer Richtung entlang der „Faser-Autobahn“ und passieren Schwingungen oder andere Hindernisse nur einmal, statt eine Million Mal wie im Kreisverkehr. Die starke Kopplung von Lichtinformation an eine akustische Schwingung bei nur einmaligem Vorbeiflug ist daher extrem schwierig.
Zustand starker Kopplung zwischen Licht und Schall erstmals ohne optischen und mechanischen Resonator realisiert
Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und der Leibniz-Universität Hannover (LUH) ist es erstmals gelungen, in einer gekühlten optischen Faser eine starke Kopplung durch Licht-Schall-Wechselwirkungen zu erreichen, und zwar speziell durch den Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung. Der Zustand starker Kopplung zwischen Licht und Schall wird ohne optischen Resonator und ohne mechanischen Resonator realisiert. Bei einem einzigen Durchlauf des Lichts durch eine optische Faser bei moderaten kryogenen Temperaturen von 4 K gelingt es dem Team unter der Leitung von Prof. Birgit Stiller, Wechselwirkungen zwischen Licht und Schall zu erzielen, die weitaus stärker sind als die Verluste sowohl durch optische als auch durch akustische Rauschquellen. Bei der spektralen Signalmessung tritt eine Lücke auf – das ist für die Forschenden ein Hinweis auf die starke Kopplung. „Wir haben eine neue Messtechnik eingeführt, die es ermöglicht, das deutlichste Anzeichen einer starken Kopplung zu beobachten: ebendiese Lücke in der spektralen Antwort, die sonst nur in Resonatoren sichtbar wird“, sagt Laura Blázquez Martínez, Erstautorin der Studie. Das Phänomen der vermiedenen Kreuzung ist normalerweise in Resonator-Konfigurationen (Kreisverkehr oder Rennstrecke) sichtbar, nicht jedoch beim Inline-Betrieb (Autobahn). Daher stellt die neue experimentelle Technik einen wichtigen Proof-of-Concept für die starke Kopplung in Lichtwellenleitern dar.
„Dieses Ergebnis ist ein entscheidender Schritt hin zur Nutzung von Glasfasern als leistungsfähige Plattform für Quantenwechselwirkungen“, sagt Birgit Stiller, Leiterin der Forschungsgruppe ›Quantenoptoakustik‹ am MPL und Professorin an der LUH. „Der Nachweis, dass dieser Zustand in Glasfasern erreicht werden kann, ebnet den Weg für die Realisierung von Quantenmessungen auf der Plattform, die bereits den Großteil unseres Telekommunikationssystems ausmacht.“
Darüber hinaus ist dies ein wegweisendes Ergebnis für die Erforschung des Übergangs zwischen klassischer und Quantenphysik. Lichtwellenleiter sind wesentlich massereichere Objekte als die mikrooptomechanischen Resonatoren, die normalerweise zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Licht und mechanischen Wellen verwendet werden. Die Möglichkeit, die Quanteneigenschaften dieser Wechselwirkung zu untersuchen, ebnet den Weg für die Erforschung der Quanteneigenschaften massereicher Objekte.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Birgit Stiller
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Forschungsgruppenleiterin ›Quanten-Optoakustik‹
https://mpl.mpg.de / birgit.stiller@mpl.mpg.de
Originalpublikation:
Laura Blázquez Martínez, Changlong Zhu, Birgit Stiller, “Cavity-less Brillouin strong coupling in a solid-state continuous system,” Nature Physics (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03458-2
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