Eine doppelte Einbahnstraße für Signale

Kontrollierter Transport: Physiker haben einen Weg gefunden, um verschiedene Lichtsignale gleichzeitig und in entgegengesetzter Richtung durch eine Leitung zu schicken, ohne dass sie sich stören oder Streulicht am Ausgangspunkt erzeugen. Im Prinzip bewegen sich die Photonen dabei in entgegengesetzten Einbahnstraßen-Spuren. Möglich wird diese zweispurige Übermittlung durch ein Phänomen, das die Forschenden „Quadratur-Nichtreziprozität“ getauft haben. Dabei sorgen spezielle Interferenzen dafür, dass die Lichtleitung von der Phase und Richtung abhängig wird.

Bei der Übermittlung von Signalen ist eine möglichst optimale Qualität und Reichweite wichtig. Besonders geeignet sind dafür Materialien, die das Signal so transportieren, dass es nicht zur Rückstreuung kommt. Denn dies würde ein heftiges Störrauschen verursachen. Vor allem in der Photonik und Quantenkommunikation sind daher Bauelemente sehr gefragt, die Signale in einer Art Einbahnstraße übertragen. Physiker sprechen bei einer solchen richtungsabhängigen Übertragung von Nonreziprozität oder NIchtreziprozität.

Einbahnstraßen für Signale gesucht

„Ergänzt durch eine Verstärker kann eine solche Nonreziprozität schwache Signale verstärken, während sie gleichzeitig die Signalquelle gegen Störrauschen schützt“, erklären Clara Wanjura von der University of Cambridge und ihre Kollegen. Dies ist unter anderem bei der Quanteninformationsverarbeitung der Fall, wo die Zustände des Quantencomputers verstärkt werden müssen, um sie auszulesen – ohne dass sie durch das Rauschen des Verstärkungsprozesses verfälscht werden.

Das Problem jedoch: Diese Art der nicht reziproken Signal-Einbahnstraßen, beispielsweise in Isolatoren oder Zirkulatoren, erfordert starke Magnetfelder und verursacht starke Verluste in der Signalqualität. Als Folge ist sie wenig effizient. Deshalb suchen Physiker nach Alternativen, die weniger Platz benötigen und nicht auf Magnetfelder angewiesen sind.

Phasenabhängigkeit ermöglicht Zweispurigkeit

Eine solche Alternative könnten Wanjura und ihr Team nun gefunden haben. Sie haben eine Einbahnstraße entwickelt, die ohne starke Magnetfelder auskommt und zudem zwei Signale gleichzeitig und in zwei Richtungen übertragen kann, ohne dass es zu Störeffekten kommt. Möglich wird dies durch eine Art zweispuriger Einbahnstraße. Das Physikerteam hat das zugrundeliegende Phänomen „Quadratur-Nichtreziprozität“ getauft. Als Quadratur wird eine Abhängigkeit von der Phase einer Welle bezeichnet.

Die Quadratur-Nichtreziprozität nutzt Interferenzen zwischen zwei unterschiedlichen physikalischen Prozessen aus. Bei der Überlagerung beider Prozesse kommt es zur Auslösung oder Verstärkung der entsprechenden Effekte. „Dies ermöglicht eine unidirektionale Signal-Übertragung, die von der Phase des Eingangssignals abhängt“, erklärt Wanjura. „In diesen Bauelementen hängt die Übertragung nicht nur von der Richtung des Signals ab, sondern auch von der Quadratur des Signals.“

„Damit wird eine zweispurige Autobahn für Signale realisiert: Eine Quadratur wird in die eine Richtung und die andere Quadratur in die entgegengesetzte Richtung übertragen“, so die Physikerin weiter. „Die Zeitumkehrsymmetrie erzwingt dann, dass die Quadraturen immer paarweise in zwei getrennten Spuren in entgegengesetzte Richtungen übertragen werden.“

„Doppelte“ Einbahnstraße mit vielen Anwendungen

Im Experiment nutzen die Physiker als Modell für diese doppelte Einbahnstraße die Schwingungen von nanometerkleinen Siliziumfäden, die durch Laserstrahlen in Wechselwirkung gebracht wurden. Dabei zeigte sich der nichtreziproke, aber zweispurige Transport von Signalen. „Auf diese Weise konnten wir den daraus resultierenden doppelten ‚Einbahn‘-Transport für Signale experimentell nachweisen“, sagt Koautor Jesse Slim vom Zentrum für Nanophysik in Amsterdam.

Nach Angaben des Forschungsteams eröffnet die von ihnen entwickelte Quadratur-Nichtreziprozität neue Möglichkeiten für die Signalweiterleitung und quantenlimitierte Verstärkung. „Geräte auf dieser Basis könnten als effiziente, rauscharme Sensoren und Quantenrouter eingesetzt werden und auch zur Erzeugung und Messung von nichtklassischen Quantenzuständen“, erklärt das Team. Aber auch klassische Elektronikschaltkreise und Akustikbauteile könnten davon profitieren. (Nature Physics, 2023; doi: 10.1038/s41567-023-02128-x)

Quelle: Universität Wien