In der modernen Quantenphysik und den optischen Wissenschaften nehmen Photonen eine besondere Stellung als Informationsträger ein. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kohärenz und ihrer Ausbreitung mit der physikalisch maximal möglichen Geschwindigkeit bilden sie das Rückgrat der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und optischer Quantentechnologien. Diese Vorteile gehen jedoch mit einer grundlegenden physikalischen Einschränkung einher: Photonen wechselwirken nicht direkt miteinander.
Wenn klassische Lichtfelder hoher Intensität nichtlineare optische Materialien durchlaufen, kommt es zu gegenseitigen Wechselwirkungen sowie zu Selbstwechselwirkungen. Dadurch verändern sich ihre Phase und Amplitude durch Selbstphasenmodulation und Kreuzphasenmodulation. Dieses Verhalten der nichtlinearen Mehrwellenmischung auf die Ebene einzelner Photonen zu übertragen, ist jedoch äußerst schwierig. Herkömmliche optische Medien zeigen bei extrem niedrigen Lichtintensitäten lediglich vernachlässigbar geringe nichtlineare Reaktionen. Einzelne Photonen durchdringen sich daher normalerweise gegenseitig, ohne miteinander zu streuen oder zu wechselwirken. Die Erzeugung direkter, kontrollierbarer Photon-Photon-Wechselwirkungen für quantenmechanische Ein- und Wenig-Photonen-Zustände stellt deshalb bislang eine große Herausforderung dar und schränkt die Erforschung quantenmechanischer Vielteilchendynamik in optischen Systemen ein.
Nun hat ein internationales Forschungsteam in einer theoretischen Studie mit dem Titel „Thermalization of quantum light induced by classical nonlinear wave dynamics“ (Thermalisierung von Quantenlicht durch klassische nichtlineare Wellendynamik) gezeigt, dass die nichtlineare Dynamik klassischen Lichts Ein- und Zwei-Photonen-Quantenzustände beeinflussen kann. An der Studie beteiligt waren Wissenschaftler der Saint Louis University (USA), des Max-Born-Instituts (Berlin) und der Humboldt-Universität zu Berlin. Konkret konnte das Team nachweisen, dass sich multimodale nichtlineare optische Plattformen nutzen lassen, um effektive Quantenwechselwirkungen zwischen Photonen zu realisieren und diese dadurch zu thermalisieren.
Überwindung der Barriere schwacher Quantennichtlinearitäten
Um die intrinsisch schwachen Nichtlinearitäten von Materialien im Quantenbereich zu umgehen, untersuchten die Forschenden Szenarien, in denen sich Quantenlicht gemeinsam mit vergleichsweise intensiven klassischen Lichtfeldern innerhalb multimodaler nichtlinearer optischer Systeme ausbreitet. Mithilfe umfangreicher numerischer Untersuchungen zeigte das Team, dass quantenmechanische Ein- und Zwei-Photonen-Zustände in solchen Konfigurationen nicht einfach ihre ursprünglichen Zustände beibehalten oder einer unkontrollierten Dekohärenz unterliegen. Stattdessen kommt es zu einer Thermalisierung.
Dieser Thermalisierungsprozess wird durch das Auftreten charakteristischer statistischer Verteilungen bestätigt, die insbesondere mit der Rayleigh-Jeans- und der Boltzmann-Verteilung übereinstimmen. Indem die intensive klassische Wellendynamik zur Vermittlung effektiver Wechselwirkungen genutzt wird, gelingt es dem System, eine Brücke zwischen der makroskopischen nichtlinearen Optik und der mikroskopischen Quantenmechanik zu schlagen.
Dieser Ansatz bietet einen leistungsfähigen Rahmen zur Simulation quantenmechanischer Phänomene und Prozesse, die in optischen Aufbauten bislang als praktisch unzugänglich galten. Anstatt exotische Materialien mit extrem starken Nichtlinearitäten auf Einzelphotonenebene zu verwenden – deren Herstellung und Skalierung bekanntermaßen äußerst schwierig sind – erreicht die Methode des Forschungsteams eine effektive Quantenthermalisierung mithilfe leicht verfügbarer klassischer optischer Strukturen.
Neue Möglichkeiten zur Erforschung komplexer Quantenphänomene
Die Bedeutung dieser Arbeit reicht weit über die Grundlagenforschung in der Optik hinaus und erstreckt sich bis in die statistische Physik und die Festkörperphysik. Der Nachweis, dass klassische Nichtlinearitäten Quantenzustände effektiv thermalisieren können, schafft eine leistungsfähige und hochgradig kontrollierbare experimentelle Plattform zur Untersuchung offener Quantensysteme und der Thermodynamik von Vielteilchensystemen.
Darüber hinaus eröffnet diese Plattform neue Möglichkeiten, ein vielfältigeres und breiteres Spektrum komplexer Quantenphänomene – einschließlich bestimmter Aspekte quantenmechanischer Phasenübergänge – unter Verwendung standardmäßiger optischer Laboraufbauten zu erforschen.
Indem die experimentellen Hürden für die Untersuchung komplexer Photon-Photon-Wechselwirkungen erniedrigt werden, eröffnet diese Forschung neue Perspektiven für die Untersuchung der Lichtdynamik und vertieft unser grundlegendes Verständnis dafür, wie statistische Gleichgewichte in Quantensystemen entsteht.
Zu den Autoren gehören Fouad Chahrour, der seinen Master of Science (MSc) in Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin erworben hat (Masterarbeit am Max-Born-Institut), Şahin K. Özdemir und Ramy El-Ganainy, die beide Professoren für Elektrotechnik und Computertechnik an der Saint Louis University sind, sowie Kurt Busch, Professor für Physik am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin und am Max-Born-Institut, und Armando Perez-Leija, Wissenschaftler an der Saint Louis University.
