Laserlicht macht einen Quantenspaziergang in einem Mikrochip – Physics World

Forscher der ETH Zürich in der Schweiz haben einen Mikrochip-Laser, der eine einzelne Lichtfrequenz (oder Farbe) aussendet, in einen umgewandelt, der Licht über einen breiten Frequenzbereich aussendet. Mit dem neuen optischen Kammgerät, das nach einem sogenannten Quantengang funktioniert, könnten miniaturisierte optische Sensoren für die Umwelt- und Medizinüberwachung hergestellt und die Datenübertragungsraten in der Telekommunikation erhöht werden.

Unter der Leitung eines Physikers Jérôme Faist, der ETH-Forschende begann mit einem Quantenkaskadenlaser, der in einen Mikrochip integriert war. Dieses Gerät besteht aus einer Mikroringstruktur, die aus Schichten aus Arsenid, Gallium, Indium und Aluminium besteht. Der Ring begrenzt und leitet das Licht. Wenn er an eine direkte Stromquelle angeschlossen wird, werden die darin enthaltenen Elektronen dazu angeregt, schnell über die verschiedenen Schichten zu springen und dabei eine Photonenkaskade auszusenden. Während die Photonen im Ring zirkulieren, vervielfachen sie sich und erzeugen kohärentes Laserlicht mit einer einzigen Frequenz.

Faist und Kollegen fanden heraus, dass, wenn sie dieses System mit einem zusätzlichen Wechselstrom anregen, der bei einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingt, das emittierte Licht innerhalb weniger Nanosekunden von einer einzelnen Farbe in mehrere Farben übergeht. Bevor es seine endgültige Form stabilisiert, ähnelt das Spektrum des emittierten Lichts insbesondere der Bewegung eines sogenannten Quantenspaziergangs.

Der Quantenspaziergang eines Lasers

Der Quantenlauf, der erstmals vom Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman vorgeschlagen wurde, unterscheidet sich stark vom klassischen Zufallslauf, der üblicherweise zur Modellierung des Verhaltens physikalischer Systeme verwendet wird, von schwankenden Aktienmärkten bis hin zur Brownschen Bewegung von Pollenkörnern auf der Oberfläche einer Flüssigkeit. Der klassische Irrweg funktioniert wie ein verlorener Wanderer, der seine nächsten Schritte anhand des Münzwurfs wählt. Wenn die Münze beispielsweise auf „Kopf“ landet, macht der Wanderer möglicherweise einen Schritt nach links, während „Zahl“ möglicherweise einen Schritt nach rechts erfordert. Nach vielen Münzwürfen wird die Position des Wanderers zufällig sein, aber wahrscheinlich nahe an seinem Ausgangspunkt.

Bei einem Quantengang hingegen bewegt sich ein Quantenteilchen nach jedem Wurf praktisch gleichzeitig in beide Richtungen und nimmt dabei eine kohärente Überlagerung von rechts und links an. Das heißt, es gibt immer mehrere mögliche Wege, die das Teilchen nehmen kann, um an seine endgültige Position zu gelangen.

Ein optisches kammartiges Spektrum

Im neuen Gerät hat dieser Quantenspaziergang ein bemerkenswertes Ergebnis. „Die verschiedenen Farben (oder Frequenzen) fügen dem emittierten Licht Energie hinzu und erzeugen ein optisches kammartiges Spektrum“, erklärt Faist. „Die optischen Frequenzen sind gleich weit voneinander entfernt und ihre Anzahl wird durch die Frequenz und Amplitude des an den Laser gesendeten elektrischen Schwingungssignals ausgewählt.“

Der Quanten-Random-Walk setzt der Überlagerung Grenzen

Was Anwendungen betrifft, halten die Forscher miniaturisierte optische Sensoren für die Umwelt- und medizinische Überwachung für möglich. Längerfristig, fügt Faist hinzu, könnten solche Geräte die Datenübertragungsrate für die optische Kommunikation erhöhen, da jede vom Laser emittierte Lichtfarbe – insgesamt bis zu 100 Farben – als unabhängiger Kommunikationskanal dienen könnte.

Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/