Quanteneigenschaften von Multimodenlicht trotz extremer Verluste beobachtet
Die Quanteneigenschaften von Licht sind äußerst empfindlich. Wenn Forscher*innen versuchen, sie zu messen, können bereits geringe Verluste auf dem Weg zum Detektor dazu führen, dass sie verschwinden. Die Eigenschaft schränkt ihre Nutzung außerhalb sorgfältig kontrollierter Umgebungen ein. Ein kollaboratives Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL), hat einen neuen Weg aufgezeigt, mehrere Quantenkanäle des Lichts gleichzeitig zu messen und deren Verschränkung nachzuweisen – selbst wenn fast das gesamte Licht bereits vor Erreichen des Detektors verloren geht. Die kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für skalierbare Quantentechnologien.
Wer schon einmal ein altes Radio oder einen alten Fernseher benutzt hat, kennt das Rauschen im Ton oder Bild. Dabei handelt es sich um zufällige Schwankungen, welche die übertragenen Informationen verzerren. Licht verhält sich auf ähnliche Weise. Auch Licht beinhaltet dieses Rauschen, das sich als Schwankungen des elektromagnetischen Feldes zeigt. Selbst perfektes Laserlicht weist solche Schwankungen auf, die als Schrotrauschen bezeichnet werden.
Gequetschtes Licht: Lösung und Herausforderung zugleich
Das Rauschen des Lichts lässt sich durch einen als „Squeezing“ bezeichneten Quantenprozess sogar unter den Level des Schrotrauschen reduzieren. Gequetschtes Licht ist heute eine zentrale Quelle in vielen Quantentechnologien, vom Quantencomputing bis hin zu Präzisionsmessungen. So wird es beispielsweise bei LIGO eingesetzt – einem Gravitationswellen-Observatorium –, um die Empfindlichkeit gegenüber extrem schwachen Signalen aus dem Weltraum zu verbessern.
Generell sind alle Quantenzustände des Lichts fragil, gequetschtes Licht jedoch reagiert besonders empfindlich auf Verluste. Nicht nur bei optischen Vorgängen, sondern auch bei der Detektion ist das ein gravierendes Problem: Ein verlustbehafteter Detektor kann genau jene Quanteneigenschaften verbergen, die man messen möchte, wie beispielsweise Rauschunterdrückung und Verschränkung. Der Einsatz des Squeezing war bisher nur eingeschränkt möglich und gleicht dem Versuch, eine Seifenblase unbeschädigt durch ein enges Rohr zu führen.
Mehr Moden, mehr Möglichkeiten
In ihrer aktuellen Arbeit erzeugte ein internationales Team von Wissenschaftler*innen des MPL (Deutschland), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Deutschland), des Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (Brasilien) und des Laboratoire Kastler Brossel (Frankreich) gequetschtes Licht in mehreren Moden. Multimodenlicht kann man sich wie mehrere Straßen vorstellen, die in dieselbe Richtung führen: Je mehr Straßen zur Verfügung stehen, desto größer ist die gesamte Transportkapazität. In ähnlicher Weise fungieren die Moden eines Lichtstrahls als unabhängige Kanäle für die Übertragung von Informationen. Der gleichzeitige Umgang mit mehreren Moden von gequetschtem Licht ist technisch jedoch anspruchsvoller als die Handhabung eines einzelnen gequetschten Lichtstrahls.
Quantenlicht bündeln und verstärken
Anstatt gequetschtes Multimode-Licht direkt zu messen, verstärkten die Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Prof. Maria Chekhova, Leiterin der Forschungsgruppe ›Quantenstrahlung‹ am MPL, es zunächst mithilfe eines optischen parametrischen Multimode-Verstärkers (im Schema als MOPA bezeichnet). Ein solches Gerät verstärkt das Signal ohne Rauschen hinzuzufügen. Die Messung der Quanteneigenschaften ist so auch bei starken Verlusten möglich. „Die Verstärkung eines Quantenzustands vor der Detektion ist vergleichbar mit dem ordnungsgemäßen Verpacken von zerbrechlichem Glas vor dem Versand“, sagt Mahmoud Kalash, Doktorand an der FAU und Erstautor der Veröffentlichung.
Nach der Verstärkung trennte das Team das Licht mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) in seine einzelnen Moden auf (siehe Abbildung a). Das Gerät lenkt jede Mode einzeln in eine andere Richtung, wodurch ein individueller Zugriff möglich wird. Diese Trennung hat einen erheblichen Nachteil: Der Sortiervorgang führt zu extremen Verlusten – mehr als 99,7 % des Lichts gehen vor der Detektion verloren. Unter normalen Bedingungen würden die Quanteneigenschaften vollständig zerstört werden. Da das Signal zuvor verstärkt wurde, bleiben seine Eigenschaften zugänglich. Die Forscher*innen konnten eine Squeezing-Intensität von bis zu 7,9 Dezibel messen, was einem Sechstel des Rauschpegels eines perfekten Lasers entspricht. Zudem überwachte das Team gleichzeitig acht weitere Moden. Alle Moden wiesen ein signifikantes Squeezing und eine hohe Reinheit auf und Moden-Gruppen zeigten Quantenverschränkung (dargestellt durch Knoten mit Verbindungen am Eingang des MOPA).
Die Ergebnisse zeigen, dass Multimoden-Quantenlicht selbst bei extremen Verlusten gemessen werden kann. Die Forscher demonstrierten, wie sich Einschränkungen bei der Detektion komplexer Quantenzustände überwinden lassen, und bieten einen praktischen Weg hin zu realisierbaren hochdimensionalen Quantentechnologien. „Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die hochdimensionale Quanteninformationsverarbeitung. Interessant ist das insbesondere im Bereich des Quantencomputings mit komplexen Netzwerken, in denen viele Moden gleichzeitig Informationen verarbeiten können“, sagt Marcello Passos, Forschungsgruppenleiter am CBPF und Mitautor der Studie.
Originalpublikation in Nature Communications
Kalash, M., Sudharsanam, A., M. Passos, M.H. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nat Commun 17, 3904 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72357-0
Wissenschaftlicher Kontakt
Prof. Maria Chekhova
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Forschungsgruppenleiterin ›Quantenstrahlung‹
https://mpl.mpg.de / maria.chekhova@mpl.mpg.de
