Der Professor der Aston University (England) Mikhail Sumetsky und der Forschungsingenieur der ITMO University (St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics) Nikita Toropov haben eine praktische und kostengünstige Technologie zur Herstellung optischer Mikrokavitäten mit Rekordgenauigkeit entwickelt. Mikroresonatoren können die Grundlage für die Entstehung von Quantencomputern werden, berichtete das populärwissenschaftliche Portal "Cherdak" am vergangenen Freitag, 22. Juli, unter Berufung auf den Pressedienst der ITMO.
Die Relevanz der Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung von Quantencomputern ist heute darauf zurückzuführen, dass eine Reihe sehr wichtiger Probleme mit klassischen Computern, einschließlich Supercomputern, nicht in einem vernünftigen Zeitraum gelöst werden können. Wir sprechen über die Probleme der Quantenphysik und -chemie, der Kryptographie, der Kernphysik. Wissenschaftler sagen voraus, dass Quantencomputer ein wichtiger Bestandteil der verteilten Computerumgebung der Zukunft sein werden. Einen Quantencomputer in Form eines realen physikalischen Objekts zu bauen, ist eines der grundlegenden Probleme der Physik des 21. Jahrhunderts.
Eine Studie russischer Wissenschaftler zur Herstellung optischer Mikrokavitäten wurde in der Fachzeitschrift Optics Letters veröffentlicht. „Die Technologie kommt ohne Vakuumanlagen aus, ist fast vollständig frei von Prozessen, die mit der Behandlung von Laugen verbunden sind, und ist dabei relativ kostengünstig. Aber das Wichtigste ist, dass dies ein weiterer Schritt zur Verbesserung der Qualität der Datenübertragung und -verarbeitung, der Schaffung von Quantencomputern und hochempfindlichen Messgeräten ist“, heißt es in einer Pressemitteilung der ITMO University.
Eine optische Mikrokavität ist eine Art Lichtfalle in Form einer sehr kleinen, mikroskopischen Verdickung einer Lichtleitfaser. Da Photonen nicht gestoppt werden können, ist es notwendig, ihren Fluss irgendwie zu stoppen, um Informationen zu kodieren. Genau dafür werden Ketten optischer Mikrokavitäten verwendet. Dank des "Flüstergalerie"-Effekts verlangsamt sich das Signal: Beim Eintreten in den Resonator wird die Lichtwelle von seinen Wänden reflektiert und verdreht. Gleichzeitig kann durch die abgerundete Form des Resonators Licht lange im Inneren reflektiert werden. Somit bewegen sich Photonen mit viel geringerer Geschwindigkeit von einem Resonator zum anderen.
Der Lichtweg kann durch Ändern der Größe und Form des Resonators eingestellt werden. Unter Berücksichtigung der Größe der Mikrokavitäten, die weniger als ein Zehntel Millimeter beträgt, müssen die Parameteränderungen einer solchen Vorrichtung äußerst präzise sein, da jeder Defekt auf der Oberfläche der Mikrokavität Chaos in den Photonenfluss einbringen kann. „Wenn sich das Licht lange dreht, fängt es an, mit sich selbst in Konflikt zu geraten“, betont Mikhail Sumetsky. - Für den Fall, dass bei der Herstellung von Resonatoren ein Fehler gemacht wurde, beginnt die Verwirrung. Daraus lässt sich die Hauptanforderung an Resonatoren ableiten: die minimale Größenabweichung.
Mikroresonatoren, die von Wissenschaftlern aus Russland und Großbritannien hergestellt wurden, werden mit so hoher Präzision hergestellt, dass der Unterschied in ihren Abmessungen 0,17 Angström nicht überschreitet. Um sich die Skala vorzustellen, stellen wir fest, dass dieser Wert ungefähr dreimal kleiner ist als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms und sofort 100-mal kleiner als der Fehler, der heute bei der Herstellung solcher Resonatoren zulässig ist. Mikhail Sumetsky hat die SNAP-Methode speziell für die Herstellung von Resonatoren entwickelt. Bei dieser Technologie glüht der Laser die Faser und entfernt die darin eingefrorenen Spannungen. Nach der Bestrahlung mit einem Laserstrahl "quillt" die Faser leicht und es entsteht eine Mikrokavität. Forscher aus Russland und England werden die SNAP-Technologie weiter verbessern und ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitern.
Die Arbeit an Mikrokavitäten in unserem Land hat in den letzten Jahrzehnten nicht aufgehört. Im Dorf Skolkovo in der Nähe von Moskau, in der Nowaja-Straße, wurde ein Haus mit der Nummer 100 gebaut. Dies ist ein Haus mit verspiegelten Wänden, die in ihrem Blau mit dem Himmel konkurrieren können. Dies ist das Gebäude der Skolkovo School of Management. Einer der Mieter dieses ungewöhnlichen Hauses ist das Russian Quantum Center (RQC).
Mikrokavitäten sind heute ein ziemlich aktuelles Thema in der Quantenoptik. Mehrere Gruppen auf der ganzen Welt untersuchen sie kontinuierlich. Gleichzeitig wurden in unserem Land zunächst optische Mikrokavitäten an der Moskauer Staatlichen Universität erfunden. Der erste Artikel über solche Resonatoren wurde bereits 1989 veröffentlicht. Die Autoren des Artikels sind drei Physiker: Vladimir Braginsky, Vladimir Ilchenko und Mikhail Gorodetsky. Zur gleichen Zeit war Gorodetsky zu dieser Zeit Student, und sein Führer Ilchenko zog später in die Vereinigten Staaten, wo er im NASA-Labor zu arbeiten begann. Im Gegensatz dazu blieb Mikhail Gorodetsky an der Moskauer Staatlichen Universität und widmete sich viele Jahre dem Studium dieses Bereichs. Er trat dem RCC-Team erst vor relativ kurzer Zeit bei – 2014 kann sein Potenzial als Wissenschaftler im RCC noch besser entfaltet werden. Dazu verfügt das Zentrum über alle für Experimente notwendigen Geräte, die an der Moskauer Staatlichen Universität einfach nicht zur Verfügung stehen, sowie über ein Team von Spezialisten. Ein weiteres Argument, das Gorodetsky zugunsten des RCC vorbrachte, war die Möglichkeit, den Mitarbeitern angemessene Löhne zu zahlen.
Derzeit umfasst das Team von Gorodetsky mehrere Leute, die zuvor unter seiner Leitung an der Moskauer Staatsuniversität wissenschaftlich tätig waren. Gleichzeitig ist es für niemanden ein Geheimnis, dass es heute nicht einfach ist, vielversprechende Nachwuchswissenschaftler in Russland zu halten – ihnen stehen heute die Türen aller Labore weltweit offen. Und das RCC ist eine der Möglichkeiten, eine brillante wissenschaftliche Karriere zu machen und ein angemessenes Gehalt zu erhalten, ohne die Russische Föderation zu verlassen. Derzeit wird im Labor von Mikhail Gorodetsky geforscht, die bei einer günstigen Entwicklung der Ereignisse die Welt verändern kann.
Optische Mikrokavitäten sind die Grundlage einer neuen Technologie, die die Dichte der Datenübertragung über Glasfaserkanäle erhöhen kann. Und dies ist nur eine der möglichen Anwendungen von Mikrokavitäten. In den letzten Jahren hat eines der RCC-Labors gelernt, Mikroresonatoren herzustellen, die bereits im Ausland zugekauft werden. Und russische Wissenschaftler, die zuvor an ausländischen Universitäten gearbeitet haben, kehren sogar nach Russland zurück, um in diesem Labor zu arbeiten.
Der Theorie zufolge könnten optische Mikrokavitäten in der Telekommunikation eingesetzt werden, um die Datenübertragungsdichte über Glasfaserkabel zu erhöhen. Derzeit werden Datenpakete bereits in einem anderen Farbbereich übertragen, aber wenn Empfänger und Sender empfindlicher sind, wird es möglich sein, eine Datenleitung in noch mehr Frequenzkanäle zu verzweigen.
Aber dies ist nicht der einzige Anwendungsbereich. Außerdem kann man mit optischen Mikrokavitäten nicht nur das Licht entfernter Planeten messen, sondern auch deren Zusammensetzung bestimmen. Sie können auch Miniaturdetektoren für Bakterien, Viren oder bestimmte Substanzen ermöglichen – chemische Sensoren und Biosensoren. Mikhail Gorodetsky skizzierte ein solches futuristisches Weltbild, in dem bereits Mikroresonatoren eingesetzt werden: „Mit Hilfe eines kompakten Geräts auf Basis optischer Mikrokavitäten wird es möglich sein, die Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft eines Menschen zu bestimmen, die Informationen über die Zustand fast aller Organe des menschlichen Körpers. Das heißt, die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Diagnostik in der Medizin kann sich einfach um ein Vielfaches steigern.“
Bisher sind dies jedoch nur Theorien, die noch getestet werden müssen. Bis zu darauf basierenden Fertiggeräten ist es noch ein weiter Weg. Laut Mikhail Gorodetsky sollte sein Labor jedoch nach dem genehmigten Plan in ein paar Jahren genau herausfinden, wie Mikroresonatoren in der Praxis eingesetzt werden können. Die vielversprechendsten Bereiche sind derzeit die Telekommunikation sowie das Militär. Mikroresonatoren könnten durchaus auch für das russische Militär interessant sein. Sie können beispielsweise in der Entwicklung und Produktion von Radaren sowie stabilen Signalgeneratoren eingesetzt werden.
Bisher ist die Massenproduktion von Mikrokavitäten nicht erforderlich. Aber eine Reihe von Unternehmen auf der Welt haben bereits damit begonnen, Geräte zu produzieren, das heißt, sie konnten ihre Entwicklungen wirklich kommerzialisieren. Allerdings sprechen wir immer noch nur von Stückmaschinen, die für die Lösung eines engen Aufgabenspektrums ausgelegt sind. So beschäftigt sich beispielsweise die amerikanische Firma OEWaves (in der derzeit einer der Erfinder von Mikroresonatoren, Vladimir Ilchenko, arbeitet) mit der Herstellung superstabiler Mikrowellengeneratoren sowie exzellenter Laser. Der Laser des Unternehmens, der Licht in einem sehr engen Bereich (bis 300 Hz) mit sehr geringem Phasen- und Frequenzrauschen erzeugt, wurde bereits mit dem renommierten PRIZM-Preis ausgezeichnet. Ein solcher Preis ist praktisch ein Oscar im Bereich der angewandten Optik, dieser Preis wird jährlich vergeben.
Im medizinischen Bereich betreibt die südkoreanische Unternehmensgruppe Samsung gemeinsam mit dem russischen Quantum Center eigene Entwicklungen in diesem Bereich. Laut Kommersant befanden sich diese Arbeiten im Jahr 2015 noch in der Anfangsphase, daher ist es zu früh und zu früh, um etwas über Erfindungen zu sagen, die Anwendung gefunden hätten.
