de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Physikalischen Fakultät der Universität Vilnius haben ein theoretisches Modell entwickelt, das es ermöglicht, Laserstrahlen mit Torsion und Polarisation allein durch Licht umzuformen, indem Atome „vorprogrammiert“ werden. Die Studie wurde von Masterstudent Dharma Prasetya Permana gemeinsam mit Dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė, Dr. Julius Ruseckas und Dr. Hamid Reza Hamedi vom Institut für Theoretische Physik und Astronomie durchgeführt und eröffnet neue Wege zur magnetfreien Steuerung von strukturiertem Licht in der Quantentechnologie. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review A veröffentlicht.
Die Forschung des Teams konzentriert sich auf optische Wirbel – spezielle Lichtstrahlen, deren Struktur sich während der Ausbreitung verdreht. Anders als Wasserwirbel, bei denen sich Materie dreht, handelt es sich bei optischen Wirbeln um eine Verzerrung der Lichtwellenstruktur, bei der die Wellenfront eine spiralförmige Form annimmt. Die Lichtintensität im Zentrum des Strahls sinkt auf null, sodass ein kleiner dunkler Kern zurückbleibt, dessen Größe durch eine Größe namens topologische Ladung bestimmt wird. Diese gibt an, wie viele vollständige Umdrehungen die Wellenfront um die Strahlachse macht. Bei einer topologischen Ladung von null gibt es keine Verdrehung; mit zunehmender Ladung wird die Struktur deutlicher – je höher die topologische Ladung, desto stärker die Verdrehung. Theoretisch kann die topologische Ladung jeden ganzzahligen Wert annehmen, sowohl positiv als auch negativ, was optische Wirbel für die Informationskodierung attraktiv macht – es können bis zu zehntausend verschiedene Zustände erzeugt werden. Forscher haben bereits begonnen, diese Lichtwirbel für den Aufbau fortschrittlicher Quantenkommunikationskanäle zu nutzen. Im Gegensatz zu Qubits, die nur zwei Zustände besitzen, ermöglichen Lichtwirbel die Kodierung von Informationen in höherdimensionalen Quantenzuständen, sogenannten QuDits, wodurch die Datenmenge, die ein einzelnes Photon trägt, erheblich erhöht wird.
Die Ausbreitung von Licht umfasst zwei Steuerungsarten: Polarisation und Wirbel. Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung der Welle, der Wirbel die Gesamtform des Strahls. Wenn Wissenschaftler diese beiden Konzepte kombinieren, entsteht ein Vektorwirbel – ein Lichtstrahl, der sowohl eine Strukturmuster als auch ein Schwingungsmuster aufweist. Um Vektorwirbel zu steuern und für die erweiterte Informationsverarbeitung zu nutzen, untersuchten die Forscher, wie diese Strahlen mit Atomgasen interagieren, und wählten ein dreistufiges atomares Medium. Das entwickelte theoretische Modell zeigt, wie diese Atome „vorprogrammiert“ werden können, um die Form optischer Vektorwirbel zu verändern. Wenn solches Licht das vorbereitete atomare Medium durchquert, reagieren die Atome hochstrukturiert, übernehmen die räumliche Struktur des Lichts und bilden Bereiche starker Absorption und nahezu vollständiger Transparenz. Dadurch entsteht eine Rückkopplung zwischen Licht und Materie: Das Licht formt die Reaktion der Atome, und die Reaktion der Atome formt das Licht um. Während der Ausbreitung wandelt sich der Strahl von einer einfachen ringförmigen Intensitätsverteilung in ein blütenblattartiges Muster, bei dem sich das Licht auf mehrere helle, um das Zentrum angeordnete Blütenblätter konzentriert, während sich gleichzeitig die Polarisationsstruktur des Strahls weiterentwickelt.
Die Studie positioniert vorprogrammierte Atome als leistungsstarkes Werkzeug zur Steuerung von Licht mit potenziellen Auswirkungen auf Quantencomputing und hochdichte Datenübertragung. Bisher erforderte die Steuerung von strukturiertem Licht auf diese Weise komplexe und teure externe Magnetfeldgeräte, was die Integration des Systems einschränkte. Die Methode ist vollständig optisch und nutzt das Licht selbst, um die Atome zu „programmieren“, wodurch die Notwendigkeit von Magnetfeldern entfällt. Sie bietet eine flexiblere und skalierbarere Möglichkeit, Licht-Materie-Wechselwirkungen zu steuern und legt den Grundstein für schnellere Quantenprozessoren, hochsichere Quantenkommunikationsnetzwerke und extrem präzise optische Sensoren.
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