Wissenschaftler der Universität Paderborn haben eine neue Methode angewandt, um die Charakteristika von optischen, also auf Licht basierenden Quantenzuständen zu ermitteln. Dafür nutzen sie erstmals bestimmte Photonendetektoren – Geräte, die einzelne Lichtteilchen erfassen können – für die sogenannte homodyne Detektion. Die Fähigkeit, optische Quantenzustände zu charakterisieren, macht das Verfahren zu einem wesentlichen Werkzeug für die Quanteninformationsverarbeitung. Genaue Kenntnisse der Charakteristika sind z. B. für den Einsatz in Quantencomputern von Bedeutung. Die Ergebnisse wurden jetzt vom Fachmagazin „Optica Quantum“ veröffentlicht.
„Die Homodyn-Detektion ist eine in der Quantenoptik häufig verwendete Methode zur Untersuchung der wellenartigen Natur optischer Quantenzustände“, erklärt Timon Schapeler von der Paderborner Arbeitsgruppe „Mesoskopische Quantenoptik“ am Department Physik. Zusammen mit Dr. Maximilian Protte hat er die Methode angewandt, um die sogenannten kontinuierlichen Variablen optischer Quantenzustände zu untersuchen. Dabei geht es um die veränderlichen Eigenschaften von Lichtwellen. Das können zum Beispiel die Amplitude oder Phase, also die Schwingungsverläufe von Wellen sein, die u. a. für die gezielte Manipulation von Licht wichtig sind.
Zum ersten Mal haben die Physiker dabei supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren für die Messungen eingesetzt – die aktuell schnellsten Gerätschaften für die Photonenzählung. Die beiden Wissenschaftler haben durch ihren besonderen Versuchsaufbau gezeigt, dass ein Homodyn-Detektor mit supraleitenden Einzelphotonendetektoren eine lineare Reaktion auf den Eingangsphotonenfluss aufweist. Übersetzt bedeutet das: Das gemessene Signal ist proportional zum Eingangssignal.
„Im Prinzip bringt die Integration von supraleitenden Einzelphotonendetektoren viele Vorteile im Bereich der kontinuierlichen Variablen mit sich, nicht zuletzt die intrinsische Phasenstabilität. Diese Systeme weisen ebenfalls eine nahezu hundertprozentige On-Chip-Detektionseffizienz auf. Das bedeutet, bei der Detektion gehen keine Teilchen verloren. Unsere Ergebnisse könnten die Entwicklung hocheffizienter Homodyn-Detektoren mit einzelphotonenempfindlichen Detektoren ermöglichen“, so Schapeler.
Die Arbeit mit kontinuierlichen Variablen des Lichts ermöglicht neue und spannende Möglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung jenseits von Qubits, den üblichen Recheneinheiten der Quantencomputer.
Der Artikel ist online verfügbar.
Im Video erklärt Dr. Maximilian Protte, wie das Verfahren funktioniert: https://youtu.be/z9fGwd9iZi4?si=LM25s3AfbvBjzMNc
