Im Labor liest ein Chip verborgene Stabilität in Lichtwellen

Man ziehe einen Knoten in einem Seil fest, drehe ihn, schüttle ihn: Er hält, bis jemand das Seil durchschneidet. So erklärt Ali Elshaari, außerordentlicher Professor am KTH Royal Institute of Technology, seinen Studierenden die Topologie. Ein Team am KTH, dessen Erstautor der Doktorand Andrea Cataldo ist, stellt nun einen lichtbasierten Chip vor, der diese Art von Knoten anhand der Bewegung von Wellen auslesen kann. Die Studie erscheint in Physical Review Letters.

Das Problem ist die Unvollkommenheit realer Hardware. Optische Fasern, Chips und andere lichtleitende Bauteile sind nie fehlerfrei: Kleine Defekte streuen Photonen und lenken sie von ihrem Weg ab. Manche Wellenphänomene überstehen solche Fehler. Physiker nennen diese Merkmale topologische Eigenschaften, also Welleneigenschaften, die sich auch dann nicht ändern, wenn ein System verändert wird. Der Haken ist der Energieverlust. Wie Cataldo es ausdrückt: „Jedes System verliert etwas Energie“. Dieser Verlust kann genau die Stabilität verdecken, die Ingenieure suchen. Die Frage lautet also, wie sich diese Eigenschaften unter realistischen Bedingungen untersuchen lassen.

Die Antwort des Teams ist ein programmierbarer Chip, der solche verlustbehafteten Systeme nachahmt. Cataldo beschreibt einen „mathematischen Kniff“, mit dem das verlustbehaftete System auf dem Chip läuft, ohne dass das Signal tatsächlich verloren geht. Die Forscher vergleichen das Licht anschließend mit Referenzstrahlen, was er mit dem Stimmen eines Instruments an einem Referenzton vergleicht. In den Experimenten unterschied der Chip die topologischen Fälle zuverlässig von gewöhnlichen. Außerdem entdeckte er einen exzeptionellen Punkt, einen besonderen Zustand, in dem sich Systeme mit Energieverlust auf ungewöhnliche Weise verhalten.

Das Ergebnis hat Grenzen. Die Demonstration ist ein Laborgerät, die Studie nennt außer den getesteten Fällen keine Angaben zu Größe oder Leistung des Chips, und für eine praktische Nutzung wird kein Datum genannt. Die Arbeit erscheint außerdem als arXiv-Preprint neben der Zeitschriftenfassung. So können Leser den Originaltext prüfen, bevor er anderswo zitiert wird.

Für Ingenieure liegt der Gewinn in der Geschwindigkeit. Da sich der Chip umprogrammieren lässt, können viele verschiedene Szenarien auf einem Gerät getestet werden, statt für jedes einen neuen Aufbau zu bauen. Die Autoren sagen, die Methode könnte die Suche nach neuen elektronischen und optischen Technologien beschleunigen und zu zuverlässigeren Quantengeräten beitragen. Die ersten Nutznießer wären Forschungsgruppen, die Materialien und Quanten-Hardware entwickeln, nicht Verbraucher. Die Studie nennt keinen Zeitplan dafür, wann solche Arbeiten ein Produkt erreichen könnten.