Im Labor koppeln sich Licht und Schall stark in einer Glasfaser

Licht, das durch eine Glasfaser läuft, trifft normalerweise jede Schwingung im Glas einmal und zieht dann weiter. Bei diesem einzelnen Durchgang ist ein starker Austausch zwischen Licht und Schwingung äußerst schwer zu erreichen. Am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und an der Leibniz Universität Hannover hat das Team um Birgit Stiller dies nun erstmals in einer gekühlten Faser erreicht. Die Arbeit ist in Nature Physics veröffentlicht.

Der Fachbegriff lautet „starke Kopplung“: ein Quantenaustausch zwischen zwei Systemen, der schneller abläuft als das Rauschen, das ihn zerstört. Die Information wird weitergegeben, bevor sie durch Verluste und Dekohärenz verloren geht, also die Drift, durch die Wellen aufhören, im Gleichtakt zu schwingen. Bislang war dieses Regime nur in optomechanischen Resonatoren erreicht worden. Die Autoren vergleichen sie mit Rennbahnen, auf denen das Licht bis zu eine Million Mal kreist und immer wieder auf dieselben Schwingungen trifft. Eine Faser dagegen ist eine Autobahn: Das Licht überquert die Schwingungen nur einmal.

Die Wechselwirkung ist die stimulierte Brillouin-Streuung, bei der das Licht in der Faser mit den akustischen Schwingungen des Glases koppelt. Das Team kühlte die Faser auf 4 K ab und arbeitete ohne optischen oder mechanischen Resonator. Ihr Nachweis ist eine Lücke im spektralen Antwortverhalten. Laura Blázquez Martínez, Erstautorin der Studie, sagt, diese Lücke – das deutlichste Zeichen starker Kopplung – sei normalerweise nur in Resonatoren sichtbar. Die neue Messtechnik macht sie in einer Faser sichtbar, und die Autoren stellen sie als Machbarkeitsnachweis vor.

Was sich ändert und für wen. Glasfasern tragen bereits den Großteil des Telekommunikationsnetzes, und Stiller präsentiert sie als bestehende Plattform für Quantenmessungen. Das Team sieht sie als Verbindungen zwischen Quantencomputern und künftig als Quantenprozessoren selbst. Ein Gerät, ein Zeitplan oder ein kommerzieller Partner wird nicht angekündigt. Die Arbeit ist ein Schritt im Labor, und die Forschenden sagen das auch so.

Die Grenzen liegen im Versuchsaufbau und im Maßstab. Die Messung erfolgte bei 4 K, einer kryogenen Temperatur, in einem einzigen Durchgang durch die Faser. Das Team sagt nicht, ob der Effekt außerhalb des eigenen Experiments reproduziert wurde oder unter Bedingungen, die näher an denen eines Telekommunikationsnetzes liegen. Die Autoren verweisen zudem auf die Masse der Faser, die weit größer ist als die der bisher verwendeten Mikroresonatoren, als Weg, Quanteneigenschaften größerer Objekte zu untersuchen. Diese Frage ist noch offen.