Echtzeit‑Überwachung multimodaler Squeezing‑Effekte

Warum das Beobachten von Quantenlicht wichtig ist

Licht wird gewöhnlich als glatt und kontinuierlich betrachtet, doch auf der Quantenebene erscheint es körnig und rauschanfällig. Physiker haben gelernt, dieses Rauschen zu „quetschen“ (squeezing) und es in nützlicher Weise zu reduzieren, wodurch Sensoren präziser, Kommunikation sicherer und Quantenrechner leistungsfähiger werden können. Die in diesem Papier beschriebene Arbeit zeigt, wie man viele dieser gepressten Lichtmuster gleichzeitig in Echtzeit in einem einzigen Laserstrahl beobachten und steuern kann — eine Fähigkeit, die deutlich leistungsfähigere Quantentechnologien erschließen könnte.

Viele Muster verstecken sich in einem Strahl

Ein Laserstrahl kann heimlich Dutzende unterschiedlicher räumlicher Muster tragen, sogenannte Modi, die alle übereinander liegen. Jeder Modus kann seinen eigenen gepressten Quantenzustand beherbergen, sodass ein einzelner Strahl als hochkapazitärer quantenmechanischer Datenbus fungieren kann. Bisher konnten Wissenschaftler diese Modi jedoch nur nacheinander untersuchen, mit einer Methode, die den Strahl mit einem Referenzstrahl vergleicht. Dieser Ansatz ist langsam, leicht durch Verluste und Rauschen beeinträchtigt und grundsätzlich darauf beschränkt, jeweils nur einen Modus zu betrachten — weit entfernt von ideal für großskalige Quantennetzwerke oder Rechnungen, die auf dem gleichzeitigen Zusammenwirken vieler Modi beruhen.

Licht benutzen, um Licht zu lesen

Die Autoren ersetzen den traditionellen Detektor durch einen anderen, speziell entworfenen Lichtverstärker. Dieser Verstärker, basierend auf einem nichtlinearen Kristall, verstärkt oder unterdrückt bestimmte Fluktuationen des einfallenden Quantelichts, während er gewöhnliche Verluste nach der Verstärkung weitgehend ignoriert. Da der Verstärker selbst viele räumliche Modi unterstützt, kann er auf alle gleichzeitig wirken. Durch sorgfältiges Formen des starken Pumpstrahls, der den Verstärker antreibt, bringen die Forscher dessen interne Modi in enge Übereinstimmung mit denen des eingehenden gepressten Lichts, sodass jedes Muster im Eingangsstrahl sauber auf ein entsprechendes Muster am Ausgang abgebildet wird.

Viele Modi gleichzeitig sortieren und messen

Nach der Verstärkung reisen die unterschiedlichen räumlichen Muster weiterhin zusammen in einem Strahl, daher besteht die nächste Herausforderung darin, sie zu trennen, ohne ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu zerstören. Die Forschenden verwenden ein programmierbares Gerät, das jedes Muster zu einem anderen hellen Punkt auf einer Kamera lenkt und damit einen Stapel überlappender Modi in ein Array separater Pixel verwandelt. Obwohl dieser Sortierprozess extrem verlustreich ist — weniger als ein Photon von 300 erreicht tatsächlich den Detektor — macht der vorherige Verstärkungsschritt die Messung robust. Auf diese Weise überwachen sie gleichzeitig neun verschiedene räumliche Modi und verfolgen, wie ihr Quantenrauschen zwischen gepressten und anti‑gepressten Werten schwankt, während sie die Phase des Pumpstrahls langsam verändern.

Quennetzwerke im Strahl aufbauen

Der Echtzeitzugang zu vielen Einzelmodi erlaubt dem Team mehr als nur deren getrennte Messung. Durch geeignete Superpositionen dieser Muster bilden sie kleine Bausteine von Quantennetzwerken, sogenannte Cluster‑Zustände, in denen mehrere „Knoten“ starke Quantenkorrelationen teilen. Die Autoren demonstrieren und charakterisieren viele Zwei‑Knoten‑Cluster und schätzen die Qualität größerer drei‑, vier‑ und fünf‑Knoten‑Netzwerke, die alle in unterschiedlichen Kombinationen derselben zugrundeliegenden räumlichen Modi kodiert sind. Bemerkenswert ist, dass sie trotz des enormen gesamten Detektionsverlusts sehr starke Squeezing‑Werte beobachten — nahezu acht Dezibel — für den fundamentalen Modus mit hoher Reinheit, was einen Rekord für gepulstes gesqueeztes Licht darstellt.

Was das für zukünftige Quantengeräte bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernaussage, dass die Autoren eine fragile, schwer zu messende Quantenressource in etwas verwandelt haben, das in Echtzeit über viele Kanäle hinweg beobachtet und gesteuert werden kann. Durch den Einsatz eines optischen Verstärkers, der natürlich auf die Quelle des gepressten Lichts abgestimmt ist, überwinden sie die üblichen Nachteile von Verlusten, begrenzter Bandbreite und Einmodus‑Betrieb. Dieselbe Strategie lässt sich sowohl auf Farb‑ (Frequenz‑) Modi als auch auf räumliche Modi ausdehnen und auf Dutzende oder Hunderte von Modi skalieren. Damit ist die Technik ein starker Kandidat zur Versorgung zukünftiger Quantensensoren, ultrasicherer Kommunikationsverbindungen und großer kontinuierlicher‑Variablen‑Quantencomputer, die auf komplexen Netzen verschränkter Lichtzustände beruhen.

Zitation: Kalash, M., Sudharsanam, A., M. Passos, M.H. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nat Commun 17, 3904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72357-0

Schlüsselwörter: multimodal gepresstes Licht, optische parametrische Verstärkung, quantenbildgebung, kontinuierliche Variablen‑Verschränkung, Cluster‑Zustände