Wissenschaftler der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh, Schottland, haben einen leistungsstarken neuen Weg gefunden, optische Schaltkreise zu programmieren, die für die Bereitstellung zukünftiger Technologien wie nicht hackbare Kommunikationsnetzwerke und ultraschnelle Quantencomputer von entscheidender Bedeutung sind.
„Licht kann viele Informationen übertragen, und optische Schaltkreise, die mit Licht statt mit Elektrizität rechnen, gelten als der nächste große Sprung in der Computertechnologie“, erklärt Professor Mehul Malik, Experimentalphysiker und Professor für Physik an der Heriot-Watt-Schule für Ingenieurwissenschaften und Physik.
„Aber je größer und komplexer optische Schaltkreise werden, desto schwieriger sind sie zu kontrollieren und herzustellen – und das kann sich auf ihre Leistung auswirken. Unsere Forschung zeigt eine alternative – und vielseitigere – Möglichkeit, optische Schaltkreise zu konstruieren, indem ein Prozess verwendet wird, der in der Natur vorkommt.“ Natur.“
Professor Malik und sein Team führten ihre Forschungen mit kommerziellen Glasfasern durch, die weltweit weit verbreitet sind, um das Internet zu unseren Häusern und Unternehmen zu übertragen. Diese Fasern sind dünner als die Breite eines menschlichen Haares und nutzen Licht zur Übertragung von Daten.
Durch die Nutzung des natürlichen Streuverhaltens von Licht in einer optischen Faser konnten sie optische Schaltkreise innerhalb der Faser auf hochpräzise Weise programmieren.
Der Forschung wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.
„Wenn Licht in eine optische Faser eintritt, wird es auf komplexe Weise gestreut und gemischt“, erklärt Professor Malik. „Durch das Erlernen dieses komplexen Prozesses und die präzise Formung des Lichts, das in die optische Faser eintritt, haben wir einen Weg gefunden, einen Schaltkreis für Licht innerhalb dieser Störung sorgfältig zu konstruieren.“
Optische Schaltkreise sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien, die auf mikroskopischer Ebene durch die Arbeit mit einzelnen Atomen oder Photonen – Lichtteilchen – entwickelt werden. Zu diesen Technologien gehören leistungsstarke Quantencomputer mit immenser Rechenleistung und Quantenkommunikationsnetzwerke, die nicht gehackt werden können.
„Optische Schaltkreise werden beispielsweise am Ende von Quantenkommunikationsnetzen benötigt, damit die Informationen gemessen werden können, nachdem sie weite Strecken zurückgelegt haben“, erklärt Professor Malik. „Sie sind auch ein wichtiger Bestandteil eines Quantencomputers, wo sie für die Durchführung komplexer Berechnungen mit Lichtteilchen eingesetzt werden.“
Von Quantencomputern wird erwartet, dass sie große Fortschritte in Bereichen wie Arzneimittelentwicklung, Klimavorhersage und Weltraumforschung ermöglichen. Maschinelles Lernen – künstliche Intelligenz – ist ein weiterer Bereich, in dem optische Schaltkreise verwendet werden, um große Datenmengen sehr schnell zu verarbeiten.
Professor Malik sagte, die Kraft des Lichts habe mehrere Dimensionen.
„Wir können viele Informationen auf einem einzelnen Lichtteilchen kodieren“, erklärte er. „Auf seine räumliche Struktur, auf seine zeitliche Struktur, auf seine Farbe. Und wenn man mit all diesen Eigenschaften gleichzeitig rechnen kann, setzt das eine enorme Menge an Rechenleistung frei.“
Die Forscher zeigten auch, wie ihre programmierbaren optischen Schaltkreise zur Manipulation der Quantenverschränkung genutzt werden können, einem Phänomen, bei dem zwei oder mehr Quantenteilchen – wie etwa Lichtphotonen – auch dann verbunden bleiben, wenn sie über große Entfernungen voneinander entfernt sind. Verschränkung spielt in vielen Quantentechnologien eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Korrektur von Fehlern innerhalb eines Quantencomputers und der Ermöglichung der sichersten Arten der Quantenverschlüsselung.
Professor Malik und sein Forschungsteam im Beyond Binary Quantum Information Lab der Heriot-Watt University führten die Forschung mit Partnerwissenschaftlern von Institutionen wie der Universität Lund in Schweden, der Universität Sapienza Rom in Italien und der Universität Twente in den Niederlanden durch.
Mehr Informationen:
Inverses Design hochdimensionaler quantenoptischer Schaltkreise in einem komplexen Medium, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6