NIST-Wissenschaftler entwickeln Laser mit „beliebiger Wellenlänge“

• In einem integrierten Photonik-Chip wurde eine Struktur umgesetzt, die eine einzelne Laserfarbe in verschiedene sichtbare und infrarote Wellenlängen umwandelt und allein durch das Schaltungsdesign unterschiedliche spezifische Wellenlängen erzeugt
• Durch die 3D-Stapelung von Lithiumniobat und Tantala auf einem Silizium-Wafer wurde ein Ansatz realisiert, der Farbwandlung des Lichts und elektrische Steuerung gemeinsam auf einem Chip verarbeitet
• Quantenuhren und Quantencomputer benötigen je nach Atomart bestimmte Laserfarben, doch Volumen, Kosten und Stromverbrauch bestehender Geräte stellen eine große Hürde für den Praxiseinsatz dar
• Auf einem Wafer wurden etwa 50 fingernagelgroße Chips und insgesamt 10.000 photonische Schaltungen integriert; jede Schaltung gibt eine andere Farbe aus, und im Labor wurde die Umwandlung von Infrarot in sichtbares Licht bestätigt
• Mit einem Fertigungsweg zu günstigen und tragbaren photonischen Systemen rücken nicht nur Quantentechnologien, sondern auch Anwendungen wie Chip-zu-Chip-Kommunikation für AI und Virtual-Reality-Displays in den Blick

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Fortschritte bei integrierten photonischen Schaltungen

• Auf einem Silizium-Wafer wurden komplexe Muster aus Spezialmaterialien gestapelt, um Photonik-Chips zu realisieren, die Licht ähnlich wie elektronische Chips transportieren und Informationen verarbeiten
  • Diese Chips nutzen optische Bauelemente wie Laser, Wellenleiter, Filter und Schalter, um Licht innerhalb der Schaltung zu übertragen und zu verarbeiten
  • Sie können aufkommende Technologien wie künstliche Intelligenz, Quantencomputer und optische Atomuhren unterstützen
• Schaltungen, die statt Elektronen Photonen verwenden, besitzen bei Informationsübertragung und -verarbeitung andere Eigenschaften als elektrische Systeme
  • Photonen bewegen sich beim Durchlaufen der Schaltung deutlich schneller als Elektronen
  • Laserlicht ist ein unverzichtbarer Bestandteil zur Steuerung von Quantentechnologien wie optischen Atomuhren und Quantencomputern
• Eines der größten Hindernisse für die Verbreitung integrierter Photonik ist die Begrenzung der Laserwellenlängen
  • Hochwertige, kompakte und hocheffiziente Laser gibt es nur für wenige Wellenlängen
  • Halbleiterlaser eignen sich besonders gut zur Erzeugung von 980 Nanometer Infrarot, einer Farbe knapp außerhalb des menschlichen Sichtbereichs
• Optische Atomuhren und Quantencomputer benötigen viele andere Laserfarben
  • Die vorhandenen Laser für diese Farben sind groß, teuer und stromhungrig, was diese Quantentechnologien faktisch auf einige wenige Speziallabore beschränkt
• Die Integration von Lasern in Chip-Schaltungen weckt die Erwartung eines Übergangs zu günstigeren und tragbaren Quantentechnologien
  • Dadurch könnten reale Anwendungen außerhalb des Labors möglich werden

Mehrschichtiger Stapelansatz

• Der neue Photonik-Chip wurde in einer schichtweise aufgebauten Struktur gefertigt
  • Ausgangspunkt ist ein Standard-Silizium-Wafer mit Silizium, Siliziumdioxid (Glas) und einer Beschichtung aus Lithiumniobat, das die Farbe des eingehenden Lichts verändern kann
• Durch das Hinzufügen von Metallstrukturen lässt sich elektrisch steuern, wie die Schaltung Licht einer Farbe in eine andere umwandelt
  • Über eine separate Metall-Lithiumniobat-Schnittstelle wurde die Funktion realisiert, Licht innerhalb der Schaltung schnell ein- und auszuschalten
  • Diese Fähigkeit ist ein Kernelement für Datenverarbeitung und Hochgeschwindigkeits-Routing
• In der obersten Schicht wurde ein zweites nichtlineares Material eingesetzt: Tantalpentoxid (Tantala)
  • Tantala kann eine einzelne Laserfarbe aufnehmen und in das gesamte sichtbare Farbspektrum sowie in einen breiten Bereich infraroter Wellenlängen umwandeln
  • Über Jahre wurde eine Technik entwickelt, mit der dieses Material ohne Erhitzen zu Schaltungen verarbeitet und ohne Beschädigung auf andere Materialien abgeschieden werden kann
• Durch das 3D-Stapeln und Strukturieren verschiedener Materialien entstand ein einzelner Chip, der Licht zwischen den Schichten effizient routen kann
  • So werden die Lichtumwandlungsfähigkeit von Tantala und die Steuerbarkeit von Lithiumniobat kombiniert
  • Eine zentrale Stärke ist, dass sich Tantala zu bestehenden Schaltungen hinzufügen lässt
• Auf einem Wafer wurden rund 50 Chips in Fingernagelgröße mit insgesamt 10.000 photonischen Schaltungen integriert
  • Jede Schaltung erzeugt eine andere spezifische Farbe
  • Unterschiedliche Farben lassen sich allein über das Schaltungsdesign erzeugen

Bedarf an maßgeschneiderten Lasern je Wellenlänge

• Quantenuhren und Quantencomputer nutzen oft Atomanordnungen, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten
  • Je nach Atomsorte wird ein Laser benötigt, der zu den internen Quantenenergieniveaus des Atoms passt
• Rubidium-Atome reagieren auf rotes Licht bei 780 Nanometern
  • Das ist ein häufig genutztes Atom in Quantencomputern und Uhren
• Strontium-Atome reagieren auf blaues Licht bei 461 Nanometern
  • Bei Bestrahlung mit anderen Farben zeigen sie keinerlei Reaktion
• Größe, Kosten und Komplexität bestehender Laser für solche maßgeschneiderten Farben sind ein wesentliches Hindernis für den Feldeinsatz von Quantencomputern und optischen Uhren
  • Sie erschweren den Transfer aus dem Labor in reale Einsatzumgebungen erheblich

Anwendungsmöglichkeiten

• Günstige, stromsparende und tragbare optische Uhren könnten in vielen Bereichen genutzt werden
  • Sie könnten bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen und Erdbeben helfen
  • Sie könnten eine Alternative zu GPS für Positionsbestimmung und Navigation bieten
  • Sie könnten die Erforschung wissenschaftlicher Rätsel wie der Natur der Dunklen Materie unterstützen
• Quantencomputer könnten neue Ansätze für die Erforschung der Physik und Chemie von Medikamenten und Materialien eröffnen
• Der Einsatz integrierter photonischer Schaltungen ist nicht auf Quantentechnologien beschränkt
  • Sie könnten helfen, Signale effizient zwischen Spezialchips zu übertragen, wie sie von Technologieunternehmen verwendet werden
  • Sie könnten dazu beitragen, AI-basierte Werkzeuge leistungsfähiger und effizienter zu machen
• Technologieunternehmen interessieren sich auch dafür, Photonik zur Verbesserung von Virtual-Reality-Displays einzusetzen

Weg zur Kommerzialisierung

• Der aktuelle Chip ist noch nicht bereit für die Massenproduktion
  • Die Fertigungstechnik selbst weist jedoch einen Weg für die Zukunft
• Für die Skalierung der Technologie arbeitet das Team mit Octave Photonics zusammen
  • Ein Startup mit Sitz in Louisville im US-Bundesstaat Colorado
  • Es wurde von ehemaligen NIST-Forschern gegründet und arbeitet an der Skalierung der Technologie

Visuelle und experimentelle Merkmale

• In einem kleinen rechteckigen Chip in Fingernagelgröße sind zahlreiche Schaltungen zur Veränderung der Farbe von Laserlicht integriert
  • Auf dem Foto wird eine Schaltung gezeigt, die unsichtbares Infrarot in sichtbares blaues Licht umwandelt
  • Zum Größenvergleich wurde eine dime-Münze verwendet
• Der auf nichtlinearer Optik basierende Chip kann Laser in Dutzenden von Farben enthalten
• Im Labor wurde bestätigt, dass der Chip unsichtbares Licht aufnimmt und viele sichtbare Lichtfarben erzeugt
  • Das zeigt anschaulich das Potenzial vielfältiger Anwendungen innerhalb eines einzigen integrierten Chips

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Hacker-News-Kommentare

• Statt nur über Magenta oder Braun zu reden: Man kann illusorische Farben auch ohne Laser sofort sehen. Wenn man diesem Artikel folgt, erlebt man etwas, das wie eine Art Hyper-Türkis wirkt

  • Ich finde schon das Konzept von Frequenz bei Farben und Licht unglaublich faszinierend. Letztlich ist Licht nur ein physikalisches Signal, aber die subjektive Erfahrung von Farbe ist viel reichhaltiger. Das Rot, das ich sehe, könnte sich von dem Rot unterscheiden, das jemand anderes erlebt, und trotzdem nennen wir es beide Rot und verbinden es mit Dingen wie Feuer, Liebe, Hitze und Gefahr — das finde ich besonders spannend
  • Ein Tag, an dem ich etwas Neues über Farben lerne, ist für mich automatisch ein guter Tag. Mein liebster Farb-Funfact ist, dass es kein monochromatisches Pink gibt. Pink entsteht nur durch die Mischung der beiden Enden des sichtbaren Spektrums, also rötlicher und violetter Anteile; streng genommen gibt es Pink im Regenbogen also nicht
  • Ich habe Augen-/Netzhautmigräne, deshalb wollte ich vorab darauf hinweisen, dass die visuellen Experimente in diesem Artikel für manche Menschen eher keine gute Idee sein könnten
  • Ich habe es ausprobiert, weil im Artikel stand: „Schau einfach weiter auf den Punkt, eine Minute reicht“, aber ehrlich gesagt fühlte es sich für mich nach Zeitverschwendung an
  • Für mich fühlte es sich so an, als würde das ein wenig erklären, was man auf einem acid-Trip sieht

• Ich finde, die Formulierung im Artikel, dass „Photonen durch Schaltkreise viel schneller laufen als Elektronen“, kann etwas irreführend sein. Elektronen selbst bewegen sich zwar nicht mit Lichtgeschwindigkeit, aber elektrische Informationsübertragung findet ohnehin bereits nahe der Lichtgeschwindigkeit statt. Deshalb dürfte der eigentliche Hebel für mehr Rechenleistung eher bei der Bandbreite als bei der Latenz liegen

  • So wie ich es verstehe, wird Information in elektrischen Schaltungen nicht dadurch übertragen, dass Elektronenpakete direkt durchrasen, sondern über das elektrische Feld, und dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt nahe an der Lichtgeschwindigkeit
  • Soweit ich weiß, liegt ein Cat6-Kabel ungefähr bei 0,6c, je nach Kabeltyp teils etwas höher. Auch in Glasfaser liegt die Lichtgeschwindigkeit wegen des Brechungsindex des Kerns ungefähr bei 0,6c

• Ich hätte gern, dass mir jemand leicht verständlich erklärt, ob hinter photonic computing hier wirklich Substanz steckt

  • Aus meiner Sicht gibt es einen unmittelbar einleuchtenden Vorteil. In der optischen Kommunikation kann man Licht vieler verschiedener Farben in eine einzige Faser packen, und jede Farbe kann mit Modulation im Bereich von mehreren zehn GHz belegt werden; es gibt also noch enorm viel ungenutzte Bandbreite. Außerdem könnte präzise abgestimmte Laserwellenlänge Molekülchemie ermöglichen, die auf bestimmte Bindungsenergien zugeschnitten ist, und auch Laserschneiden oder -schweißen könnte sich weiterentwickeln, indem man effizientere Wellenlängen auswählt
  • Ich denke, der Kernpunkt ist, dass man nun einen Weg hat, Bauteile herzustellen, die gewünschte optische Frequenzen erzeugen. Bisher waren Laser, die billig, klein und effizient genug für den Einsatz auf Chips sind, nur bei einigen Wellenlängen möglich; diese Einschränkung würde also geringer. Der Artikel ist etwas übertrieben formuliert, aber im Paper stehen auch Effizienzzahlen, zum Beispiel 6 mW Ausgangsleistung bei 35 mW Eingangsleistung bei 485 nm. Gerade in der multimodalen optischen Kommunikation könnte das mehr nutzbare Frequenzen für höhere Bandbreite erschließen oder Geräte kleiner, günstiger und effizienter machen
  • Ich sehe das ähnlich wie Grundlagenforschung allgemein. Bevor so etwas zur Lösung realer Probleme eingesetzt wird, ist es fast unmöglich vorherzusagen, wie wertvoll es am Ende sein wird. Selbst sehr abstrakte Mathematik ist später oft zur Basis riesiger Industrien geworden. Trotzdem ist klar, dass Wellenlängensteuerung von Lasern ein Kern moderner Kommunikationstechnik ist, daher glaube ich nicht, dass diese Technik am Ende nutzlos sein wird
  • Ich glaube eher, dass das für Quantencomputing noch direkter relevant sein könnte. Bei Ionenfallen hängt die Wahl des Ions letztlich daran, welche Wellenlängen man stabil erzeugen kann; derzeit wird die Auswahl oft in Richtung Wellenlängen gedrängt, die sich mit modifizierten Telecom-Lasern leichter handhaben lassen. Wenn man Laserwellenlängen so frei einstellen könnte, fiele diese Einschränkung weg, und man könnte vielleicht Ionen mit anderen Eigenschaften wählen
  • Ich bin kein Experte auf dem Gebiet, aber für mich scheint es ein paar Schlüsselbedingungen zu geben. Zuerst muss beliebige Wellenlängenerzeugung möglich sein, dann muss man diese Wellenlängen präzise messen können, und außerdem braucht man wohl Dinge wie holografische Gates, die nicht zu empfindlich auf die Frequenz reagieren. Wenn das alles vorhanden ist, würde die Rechenfähigkeit letztlich davon abhängen, wie gut man unterschiedliche Wellenlängen auseinanderhalten kann. Theoretisch könnte man dann sogar an den Punkt kommen, an dem viel mehr gerechnet wurde, als sich überhaupt noch detektieren lässt — was in ziemlich philosophische Fragen führt

• Wenn die Endkosten stimmen, ist das für Ionenfallen-Quantencomputing meiner Meinung nach ganz klar eine gute Nachricht. Die benötigten Laserwellenlängen zum Einfangen von Ionen hängen vom gewählten Molekül oder der jeweiligen Spezies ab, und aktuelle Systeme sind teuer, empfindlich und schwer zu kalibrieren; mit Farbstofflasern wird es zudem ziemlich umständlich

  • Ich denke, das gilt auch für neutrale Atome. Um Atome in einen Rydberg-Zustand zu pumpen, braucht man ziemlich sauberes Licht

• Ich fände es großartig, wenn es künftig neue Displays gäbe, die nicht mehr im Farbdreieck der RGB-Primärfarben gefangen sind, sondern deren Primärfarben sich dynamisch ändern und dadurch fast jede Farbe darstellen können

  • Ich will einfach alle Farben. Am liebsten gleich die vollständige Spektralverteilung selbst
  • Die Idee ist cool, aber ich frage mich dann, wie man Bilddaten dafür kodieren würde

• Ich wollte nur teilen, dass das Original-Paper hier zu finden ist

• Ich habe das Gefühl, dass der Titel etwas missverständlich ist. Das wirkt weniger wie ein echter Universalrechner, sondern eher wie eine Art Rechnen in integrierter Optik, bei dem verschiedene nichtlineare optische Effekte in Bezug auf die Frequenz des Lasereingangs genutzt werden

  • Ganz so sehe ich es nicht. Was im Experiment gezeigt wurde, ist im Grunde eine supercontinuum source, die fast „jede Wellenlänge“ abdeckt, und allein die Tatsache, dass das auf einem integrierten Chip umgesetzt wurde, finde ich schon ziemlich beeindruckend

• Wenn man bedenkt, dass Elektronen etwa 60 Jahre gebraucht haben, um vom Chip bis ins Smart Device zu kommen, dann haben wir bei Photonen, falls sie einen ähnlichen Weg nehmen, vielleicht gerade erst das Startsignal abgefeuert. Besonders spannend finde ich, dass tantala aus einer einzigen Laserfarbe nahezu den ganzen Regenbogen auffächert

• Mich erinnerte das daran, dass die US Navy seit Langem an dem, was beinahe wie ein heiliger Gral wirkt, dem free electron laser, forscht. Ein verwandtes Beispiel gibt es in dieser Boeing-Pressemitteilung

• Wenn ich von einem „Laser für wirklich jede beliebige Wellenlänge“ höre, denke ich am Ende natürlich auch an Dinge wie einen gamma-ray laser. In der Realität ist das alles andere als einfach, aber der Wunsch danach ist definitiv da

  • Dadurch habe ich immerhin gelernt, dass das tatsächlich graser genannt wird. Andererseits hatte ich als SF-Leser auch ein bisschen gehofft, dass der Begriff eines Tages für so etwas wie einen Gravitationswellen-Oszillator reserviert sein würde