Valon ja äänen vahva kytkentä optisessa kuidussa

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa saavuttaneet vahvan kytkennän valon ja pitkäikäisten akustisten värähtelyjen välillä optisessa kuidussa. Optisia kuituja käytetään sekä klassisessa tietoliikenteessä että kvanttiviestinnässä, ja ne voisivat tulevaisuudessa toimia paitsi yhteyksinä laskentayksiköiden välillä myös itse kvanttiprosessoreina.

Mekaanisia ja akustisia värähtelyjä voidaan käyttää signaalien muuntamiseen eri taajuusalueilla, optisista taajuuksista (terahertsit) mikroaalloiksi (gigahertsit) ja jopa alemmiksi taajuuksiksi (megahertsit tai kilohertsit). Tämä ominaisuus on esimerkiksi välttämätön useiden gigahertsitaajuuksilla toimivien kvanttitietokoneiden yhdistämiseksi optisten linkkien kautta.

Lisäksi akustiset aallot etenevät huomattavasti valoa hitaammilla nopeuksilla. Ne tarjoavat siis väliaineen, joka pystyy kuljettamaan hitaasti liikkuvaa informaatiota – mikä on erittäin kiinnostavaa informaation tallennuksen ja sen tilapäisen puskuroinnin kannalta.

Näiden kvantti-informaation käsittelyominaisuuksien hyödyntäminen mekaanisten värähtelyjen avulla edellyttää kuitenkin vahvan kytkennän järjestelmää. Sellainen järjestelmä varmistaa, että kvantti-informaatio vaihdetaan ennen kuin se katoaa häviöiden ja dekoherenssin vuoksi.

Tähän asti tällaiset vahvat kytkennät on saavutettu optomekaanisissa onteloissa, joita voidaan pitää valon kilparatoina. Valo kiihtyy näissä optisissa onteloiden "kilparadoissa" jopa miljoonakertaisesti, mikä antaa sille mahdollisuuden kytkeytyä voimakkaasti ontelon kulkureittiä pitkin tuleviin värähtelyihin.

Kuitenkin, kun valo kulkee optisen kuidun läpi, se on kuin ajaisi moottoritiellä. Optiset signaalit kiihtyvät yhteen suuntaan "kuituvaltatietä" pitkin ja ohittavat värähtelyt tai muut esteet vain kerran. Näin ollen vahvan kytkennän saavuttaminen optisen informaation ja akustisen värähtelyn välillä yhden läpikulun aikana on erittäin vaikeaa.

Max Planck -valotieteen instituutin (MPL) ja Leibniz-yliopiston Hannoverin (LUH) tutkijat ovat ensimmäistä kertaa saavuttaneet vahvan kytkennän jäähdytetyssä optisessa kuidussa valo-ääni vuorovaikutusten avulla – erityisesti stimuloidun Brillouinin sironnan vaikutuksen kautta. Eli tämä valon ja äänen välinen vahva kytkentä toteutuu ilman optista tai mekaanista resonaattoria.

Kun valo johdettiin optisen kuidun läpi kertaluontoisesti kohtalaisessa 4 K:n kryogeenisessä lämpötilassa, professori Birgit Stillerin johtama ryhmä onnistui luomaan paljon voimakkaampia valon ja äänen vuorovaikutuksia kuin sekä optisten että akustisten kohinalähteiden aiheuttamat häviöt.

”Tämä tulos on ratkaiseva askel kohti optisten kuitujen hyödyntämistä tehokkaana alustana kvanttivuorovaikutuksille”, sanoo Birgit Stiller, MPL:n ”Kvanttioptoakustiikan” tutkimusryhmän johtaja ja LUH:n professori. ”Osoitus siitä, että tämä tila voidaan saavuttaa optisissa kuiduissa, tasoittaa tietä kvanttimittausten suorittamiselle alustalla, joka jo on suurimman osan tietoliikennejärjestelmästämme perustana.”

Lisäksi tämä on uraauurtava tulos klassisen ja kvanttifysiikan välisen siirtymän tutkimuksessa. Optiset kuidut ovat paljon massiivisempia kappaleita kuin mikro-optomekaaniset resonaattorit, joita tyypillisesti käytetään valon ja mekaanisten aaltojen välisten vuorovaikutusten tutkimiseen. Mahdollisuus tutkia tämän vuorovaikutuksen kvanttiominaisuuksia avaa keinon tutkia massiivisten kappaleiden kvanttiominaisuuksia.

Aiheesta aiemmin:

Uudenlainen äärimmäisen kylmä ja erittäin tehokas valokuitu

Valoa, ääntä ja mekaniikkaa kvanttitekniikkaan

Topologinen fotoni-fononi -läpimurto