Wissenschaftler*innen der Universit?t Paderborn entwickeln neue Technologie zur Manipulation von Licht
Quantencomputer sind eine der zentralen Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts. Forscher*innen der Universit?t Paderborn um Prof. Dr. Thomas Zentgraf haben nun in Kooperation mit Kolleg*innen 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. Die Ergebnisse wurden jetzt im international renommierten Journal ?Nature Photonics“ ver?ffentlicht.
Neue optische Elemente zur Manipulation von Licht erm?glichen fortschrittlichere Anwendungen in der modernen Informationstechnologie, insbesondere bei Quantencomputern. Eine gro?e Herausforderung bleibt jedoch die sogenannte nicht-reziproke Lichtausbreitung durch nanostrukturierte Oberfl?chen, bei denen die Oberfl?chen auf winzigen Skalen manipuliert wurden. Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe für ultraschnelle Nanophotonik an der Universit?t Paderborn, erkl?rt: ?W?hrend Licht bei der reziproken Ausbreitung den gleichen Weg vorw?rts wie rückw?rts durch eine Struktur zurücklegen kann, ist die nicht-reziproke Ausbreitung vergleichbar mit einer Einbahnstra?e, in der es sich nur in eine Richtung ausdehnen kann." Die Nichtreziprozit?t ist in der Optik eine besondere Eigenschaft, die dazu führt, dass das Licht unterschiedliche Materialeigenschaften hervorbringt, wenn seine Richtung umgekehrt wird. Ein Beispiel w?re ein Fenster aus Glas, das von einer Seite durchsichtig ist und das Licht durchl?sst, aber von der anderen Seite betrachtet wie ein Spiegel wirkt und das Licht reflektiert. Man spricht von einer Dualit?t. ?Im Bereich der Photonik kann eine solche Dualit?t sehr hilfreich sein, um neuartige optische Elemente für die Manipulation von Licht zu entwerfen", so Zentgraf.
In einer aktuellen Zusammenarbeit zwischen seiner Arbeitsgruppe an der Universit?t Paderborn und Forscher*innen der Australian National University und der Singapore University of Technology and Design wurde eine solche nicht-reziproke Lichtausbreitung mit einer Frequenzkonversion von Laserlicht kombiniert, also einer ?nderung der Frequenz und damit auch der Farbe des Lichts. ?Wir haben die Frequenzkonversion an den speziell designten Strukturen mit Gr??en im Bereich von wenigen hundert Nanometern genutzt, um das für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotlicht in sichtbares Licht umzuwandeln“, erkl?rt Dr. Sergey Kruk, Marie Curie Fellow in der Gruppe von Zentgraf. Die Experimente zeigen, dass dieser Umwandlungsprozess nur für eine Beleuchtungsrichtung der nanostrukturierten Oberfl?che stattfindet, w?hrend er für die entgegengesetzte Beleuchtungsrichtung vollst?ndig unterdrückt wird. Diese Art der Dualit?t in den Eigenschaften für die Frequenzkonversion wurde genutzt, um Bilder in eine ansonsten transparente Oberfl?che zu kodieren. ?Wir haben die Anordnung der verschiedenen Nanostrukturen so gestaltet, dass sie ein unterschiedliches Bild liefern, wenn die Probenoberfl?che entweder von vorne oder von hinten beleuchtet wird", sagt Zentgraf und fügt hinzu: ?Diese Bilder wurden nur sichtbar, wenn wir infrarotes Laserlicht zur Beleuchtung verwendet haben."
In ihren ersten Experimenten war die Intensit?t des frequenzgewandelten Lichts im Sichtbaren noch sehr gering. In einem n?chsten Schritt soll die Effizienz deshalb weiter gesteigert werden, damit weniger Infrarotlicht für die Frequenzumwandlung ben?tigt wird. In zukünftigen optisch-integrierten Schaltkreisen k?nnte die Richtungssteuerung der Frequenzumwandlung genutzt werden, um Licht direkt mit anderem Licht zu schalten oder um bestimmte Photonenzust?nde 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.
Zum Artikel: doi.org/10.1038/s41566-022-01018-7
