Ein Atom als „Verkehrspolizist“: Forscher haben ein optisches Bauteil entwickelt, das Kreuzungen von Licht auf optischen Chips ermöglicht. Ein Rubidium-Atom regelt dabei den Lichtfluss durch diesen optischen „Kreisverkehr“. Dieser optischen Zirkulator im Nanomaßstab eröffnet neue Möglichkeiten für die optische Datenverarbeitung und auch für künftige Quantencomputer, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.
Wie im normalen Straßenverkehr sind auch bei der optischen Datenübertragung und Datenverarbeitung Kreuzungen unverzichtbar. Damit die Lichtsignale am Kreuzungspunkt zweier Lichtleiter im richtigen Kabel weiterlaufen, werden unter anderem sogenannte optische Zirkulatoren eingesetzt. Sie leiten die Lichtsignale mit Hilfe eines Magnetfelds so um, dass sich die Laufrichtung des Lichts beispielsweise immer um 90 Grad im Uhrzeigersinn ändert.
Im Nanomaßstab fehlt die Umleitung bisher
Das Problem: Solche Umleitungen funktionieren zwar bei Glasfaserkabeln, bei den sehr viel kleineren optischen Schaltkreisen in Chipgröße jedoch geht das nicht. Denn die meisten dieser Kreuzungsmethoden funktionieren nur bei hohen Lichtintensitäten und es geht viel Licht verloren – in der Nanotechnologie aber kommt es auf kleinste Lichtsignale an, bis hin zu einzelnen Photonen.
Jetzt jedoch haben Arno Rauschenbeutel von der TU Wien und seine Kollegen ein optisches Element entwickelt, dass auch Lichtkreuzungen im Nanomaßstab ermöglicht. Dafür klinkten die Forscher einen sogenannten Flaschenresonator, eine Art Kreisverkehr für Licht, an den Kreuzungspunkt zweier ultradünner Glasfasern.
Ein Atom als „Verkehrspolizist“
Clou des Ganzen ist ein einzelnes Rubidium-Atom im Zentrum dieses „Kreisverkehrs“: Das Atom sorgt dafür, dass das eintreffende Licht den Kreisverkehr je nach Polarisation nur in einer Richtung durchlaufen kann. Zudem zwingt es die optischen Pulse, immer bei der unmittelbar nächsten Ausfahrt den Kreisverkehr zu verlassen.
Damit ermöglicht es das Atom, feste „Verkehrsregeln“ für die Kreuzung der optischen Datenleiter aufzustellen. Diese Kreisverkehr-Regelung gilt auch dann noch, wenn das Licht bloß aus einzelnen Photonen besteht. Dank des in der Quantenphysik möglichen Zustands der Überlagerung kann sogar gleichzeitig Licht einer Polarisation in die eine Richtung laufen, das der anderen Polarisation aber gleichzeitig in die andere.
Dies eröffnet ganz neue, spannende Möglichkeiten für die optische Verarbeitung von Quanteninformation. Ein solcher Kreisverkehr soll sich nun auch in integrierten optischen Chips einbauen lassen – ein wichtiger Schritt für die optische Signalverarbeitung. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaj2118)
(Technische Universität Wien, 12.12.2016 – NPO)
