Физики впервые добились сильного взаимодействия света и звука в обычном оптоволокне

Исследователи из Института науки о свете Общества Макса Планка и Ганноверского университета имени Лейбница впервые зафиксировали сильное взаимодействие света и акустических колебаний в обычном оптическом волокне, без использования микрорезонаторов. Эксперимент провели при охлаждении волокна до 4 К (примерно −269 °C).

В основе работы лежит эффект неупругого рассеяния света на акустических фононах, известный как вынужденное рассеяние Мандельштама—Бриллюэна. Акустическая волна меняет преломление среды, по которой одновременно движутся звук и свет, а фотоны в ответ воздействуют на звуковые колебания и обмениваются с ними энергией.

Ранее для получения такого эффекта требовались микрорезонаторы, где свет миллионы раз проходит через один и тот же участок среды, что обеспечивает накопление сильного взаимодействия. В обычном волокне свет проходит быстро и соприкасается с акустической волной лишь однократно на коротком участке. Учёным удалось добиться нужного эффекта именно при таком однократном прохождении: пропустив свет через охлаждённое волокно, они зафиксировали характерный разрыв в спектральном отклике системы — признак, который в резонаторах указывает на режим сильной связи между светом и звуком.

Полученный результат открывает возможность использовать отрезки обычного оптоволокна, например соединяющего два квантовых компьютера в соседних помещениях, как часть квантового процессора или памяти. Сильное взаимодействие света и звука происходит до потери когерентности квантового состояния, а поскольку звуковые волны распространяются значительно медленнее оптических и микроволновых сигналов квантового процессора, такой эффект может применяться для временной буферизации данных.

Почему это важно

Отказ от микрорезонаторов способен упростить архитектуру квантовых вычислительных систем, которая сегодня остаётся сложной и дорогостоящей. Кроме того, взаимодействие света с акустическими колебаниями потенциально позволит напрямую преобразовывать сигналы между оптическими частотами и микроволновым диапазоном, в котором работают многие квантовые устройства — то есть переводить микроволновый сигнал на выходе компьютера в оптический прямо в волокне для дальнейшей передачи обычными средствами связи.

Память остаётся одним из слабых мест квантовых платформ, и возможность использовать для буферизации информации медленные акустические волны может стать подспорьем в решении этой проблемы. Помимо прикладного значения, эксперимент переносит наблюдение квантовых явлений в оптоволокно — технологию, лежащую в основе современных телекоммуникаций, что делает подобные исследования доступнее для более широкого круга учёных и помогает изучать квантовые свойства механических колебаний в относительно крупных объектах, таких как оптические волокна.