Forscher zeigen neue Art von Laser

Laserpointer 7000mw

Laser sind einzigartig aufgrund der Emission von perfekt synchronisiertes kohärentes Licht. Dies bedeutet, dass die Linienbreite (die dem Farbspektrum entspricht) sehr schmal sein kann. Ein typischer Laser besteht aus einer großen Anzahl von Emittern (wie Atomen, Molekülen oder Ladungsträgern in Halbleitern) in einem gefertigten Hohlraum. Solche herkömmlichen Laser sind oft ineffizient und erzeugen viel Wärme. Dies macht es schwierig, sie in Niedrigtemperaturanwendungen wie Quantentechnik zu kombinieren.

Im Jahr 1911 entdeckte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, dass bestimmte Materialien bei niedrigen Temperaturen in einen supraleitenden Zustand übergehen, in dem der elektrische Strom keinen Verlust erfährt. Eine der wichtigsten Anwendungen der Supraleitung ist der Josephson-Effekt: Wenn ein Stück supraleitendes Material sehr kurz unterbrochen wird, können die Ladungsträger in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Quantenmechanik durch diese Barriere tunneln. Dies geschieht mit einer sehr spezifischen Frequenz, die von einer extern angelegten Gleichspannung abhängt. Die Josephson-Kreuzung ist daher ideal für die Umwandlung von Spannung in Licht (Frequenz).

QuTech-Forscher entwickelten einen On-Chip-Mikrowellen-Laser, der auf einem fundamentalen Aspekt der Supraleitung basiert: der AC-Josephson-Effekt. Auf dem Chip befindet sich ein nanoskaliger Josephson-Knotenpunkt, der mit einem supraleitenden Hohlraum verbunden ist. Wenn eine kleine Gleichspannung von einer Batterie über die Kreuzung angelegt wird, fährt Cooper-Paare durch die Verbindungsstelle, wodurch ein Mikrowellenlicht freigesetzt wird. Der supraleitende Hohlraum sorgt für eine Verstärkung dieses Lichts. Dies führt zu einem kohärenten Strahl von Mikrowellenlicht, das letztlich vom Chip emittiert wird. Ein solcher Chip ist vielversprechend für Anwendungen wie einen skalierbaren Quantencomputer.

Josephson-Übergangs Laserpointer 50000mw

Die QuTech-Forscher produzierten einen einzigen Josephson-Übergang in einem sehr präzise produzierten supraleitenden Mikrohohlraum, kleiner als eine Ameise. In diesem Fall fungiert der Josephson-Knotenpunkt als ein einziges Atom, während der Mikrohohlraum als zwei Spiegel für Mikrowellenlicht fungiert. Durch das Anlegen einer kleinen Gleichspannung über den Josephson-Übergang entstehen Mikrowellenpartikel mit einer Wellenlänge, die mit dem Mikrohohlraum übereinstimmt. Während die Lichtteilchen zwischen den supraleitenden Spiegeln in Resonanz treten, wird der Josephson-Übergang gezwungen, mehr Lichtteilchen zu erzeugen, die mit den Lichtteilchen im Mikrohohlraum synchron sind. Als sie den Chip auf ultraleichte Temperaturen (<1 Kelvin) kühlten, beobachteten die Forscher einen kohärenten Strahl von Mikrowellenlicht am Ausgang des Mikrohohlraums, wenn sie eine kleine Spannung anlegten. Der On-Chip-Laser, der ausschließlich aus supraleitendem Material besteht, ist sehr energieeffizient und weitaus stabiler als die bisher bekannten Halbleiterlaser. Weniger als ein picoWatt wird benötigt, um Licht zu erzeugen, das mehr als 100 Milliarden mal weniger Energie als eine Glühbirne benötigt.

Effiziente, kohärente Mikrowellenquellen sind für alle aktuellen Vorschläge für den Quantencomputer unerlässlich. Für die Auslesung und Übertragung von Quanteninformationen, zur Korrektur von Fehlern und zur Steuerung einzelner Quantenpartikel wird Mikrowellenlicht verwendet. Im Gegensatz zu den aktuellen teuren und ineffizienten Mikrowellenquellen ist dieser Josephson-Junction-Laser nicht nur effizient, sondern auch einfach zu kontrollieren und zu modifizieren durch das Design des Chips. Die Forscher erweitern nun das Design um abstimmbare Josephson-Übergänge aus Nanodrähten, so dass kurze Impulse erzeugt werden können, um schnell mehrere Quantenteilchen zu kontrollieren. In der Zukunft könnte ein solcher Chip für so genannte "Amplituden-gequetschtes" Licht mit noch kleineren Intensitätsschwankungen verwendet werden. Das ist in den meisten der vorgeschlagenen Quantenkommunikationsprotokolle wichtig. Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt zur Realisierung einer groß angelegten Quantensteuerung für die Quanteninformationstechnologie.