Cuplaj puternic între lumină și sunet, realizat pentru prima dată într-o fibră optică
Cercetătorii au reușit pentru prima dată să obțină un cuplaj puternic între lumină și vibrații acustice de lungă durată într-o fibră optică, fără a utiliza un rezonator optic sau mecanic. Rezultatele, publicate în Nature Physics, deschid calea pentru noi tehnologii de procesare a semnalelor cuantice.
Fibrele optice sunt folosite atât în telecomunicațiile clasice, cât și în comunicațiile cuantice, iar în viitor ar putea servi nu doar ca legături între nodurile de calcul, ci și ca procesoare cuantice în sine. Vibrațiile mecanice și acustice pot fi utilizate pentru a converti semnale între diverse game de frecvență, de la frecvențe optice (terahertzi) la microunde (gigahertzi) și chiar frecvențe mai joase (megahertzi sau kilohertzi). Această capacitate este esențială, de exemplu, pentru conectarea mai multor computere cuantice care funcționează la frecvențe de ordinul gigaherțzilor prin legături optice.
În plus, undele acustice se propagă cu viteze semnificativ mai mici decât viteza luminii, oferind un mediu capabil să transporte informație cu mișcare lentă, aspect de mare interes pentru stocarea datelor și pentru tamponarea temporară a informației. Pentru a valorifica aceste capacități de procesare a informației cuantice prin vibrații mecanice este însă necesară o condiție prealabilă: regimul de cuplaj puternic. Acest regim asigură schimbul de informație cuantică înainte ca aceasta să se piardă din cauza pierderilor și a decoerenței, stare în care undele nu mai oscilează în unison. În regimul de cuplaj puternic, informația cuantică poate fi procesată mai rapid decât rata cu care zgomotul pătrunde în sistem, fără pierderea proprietăților cuantice.
Până în prezent, regimul de cuplaj puternic a fost obținut în așa-numitele cavități optomecanice, care pot fi înțelese ca niște piste de curse pentru lumină. Lumina parcurge aceste „piste” de până la un milion de ori, având astfel ocazia să se cupleze puternic cu vibrațiile de-a lungul traseului cavității. Când însă lumina călătorește printr-o fibră optică, situația seamănă cu deplasarea pe o autostradă: semnalele optice înaintează într-o singură direcție de-a lungul „autostrăzii” și trec de vibrații sau de alte obstacole o singură dată, nu de un milion de ori ca pe o pistă de curse. Prin urmare, obținerea cuplajului puternic între informația optică și o vibrație acustică într-o singură trecere este extrem de dificilă.
Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Știința Luminii și de la Universitatea Leibniz din Hanovra au reușit pentru prima dată să obțină cuplaj puternic într-o fibră optică răcită, prin intermediul interacțiunilor lumină-sunet și, concret, prin efectul de difuzie Brillouin stimulată. Această stare de cuplaj puternic între lumină și sunet este realizată fără un rezonator optic sau mecanic. Într-o singură trecere a luminii printr-o fibră optică, la temperaturi criogenice moderate de 4 K, echipa condusă de Birgit Stiller a reușit să genereze interacțiuni lumină-sunet mult mai puternice decât pierderile cauzate de sursele de zgomot optic și acustic.
În măsurarea spectrală a semnalului apare o lacună, pe care cercetătorii o interpretează drept dovadă a cuplajului puternic. „Am introdus o nouă tehnică de măsurare care ne permite să observăm cel mai clar semn al cuplajului puternic: exact această lacună în răspunsul spectral, altfel vizibilă doar în rezonatoare”, spune Laura Blázquez Martínez, prima autoare a studiului.
Fenomenul de evitare a intersecției este în mod normal observabil în configurațiile cu rezonator, dar nu și în funcționarea în linie. Prin urmare, noua tehnică experimentală reprezintă o importantă dovadă de concept a cuplajului puternic în fibră. „Acest rezultat este un pas crucial spre utilizarea fibrelor optice ca platformă puternică pentru interacțiuni cuantice”, spune Stiller, care conduce grupul de cercetare în optoacustică cuantică de la institut și este profesoară la universitatea din Hanovra. „Demonstrarea faptului că această stare poate fi obținută în fibrele optice deschide calea pentru efectuarea de măsurători cuantice pe platforma care stă deja la baza celei mai mari părți a sistemului nostru de telecomunicații.”
De asemenea, rezultatul are implicații pentru cercetarea tranziției dintre fizica clasică și cea cuantică. Fibrele optice sunt obiecte mult mai masive decât rezonatoarele micro-optomecanice folosite în mod obișnuit pentru studierea interacțiunilor dintre lumină și undele mecanice. Posibilitatea de a studia proprietățile cuantice ale acestei interacțiuni deschide o cale pentru studierea proprietăților cuantice ale obiectelor masive.
