Forscher in Japan kündigen Quantenfortschritt bei Raumtemperatur an – Nachrichtenanalyse zum Hochleistungsrechnen

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An dieser Studie waren auch die außerordentlichen Professoren Mark Sadgrove und Kaito Shimizu von der TUS sowie Professor Kae Nemoto von der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University beteiligt. Diese neu entwickelte Einzelphotonen-Lichtquelle macht teure Kühlsysteme überflüssig und hat das Potenzial, Quantennetzwerke kostengünstiger und zugänglicher zu machen.

„Einzelphotonen-Lichtquellen sind Geräte, die die statistischen Eigenschaften von Photonen steuern, die die kleinsten Energieeinheiten des Lichts darstellen“, erklärt Dr. Sanaka. „In dieser Studie haben wir eine Einzelphotonen-Lichtquelle entwickelt, die ein optisches Fasermaterial verwendet, das mit optisch aktiven SE-Elementen dotiert ist. Unsere Experimente zeigen auch, dass eine solche Quelle direkt aus einer optischen Faser bei Raumtemperatur erzeugt werden kann.“

Ytterbium ist ein SE-Element mit günstigen optischen und elektronischen Eigenschaften und daher ein geeigneter Kandidat für die Dotierung der Faser. Es hat eine einfache Energieniveaustruktur und Ytterbiumionen haben in ihrem angeregten Zustand eine lange Fluoreszenzlebensdauer von etwa einer Millisekunde.

Einzelphotonenemitter verbinden Quantenbits (oder Qubits) zwischen Knoten in Quantennetzwerken quantenmechanisch. Sie werden typischerweise durch Einbetten von Seltenerdelementen in optische Fasern bei extrem niedrigen Temperaturen hergestellt. Jetzt haben Forscher aus Japan unter der Leitung von Associate Professor Kaoru Sanaka von der Tokyo University of Science eine mit Ytterbium dotierte optische Faser bei Raumtemperatur entwickelt. Durch den Verzicht auf teure Kühllösungen bietet die vorgeschlagene Methode eine kostengünstige Plattform für photonische Quantenanwendungen.

Quantenbasierte Systeme versprechen schnelleres Rechnen und stärkere Verschlüsselung für Rechen- und Kommunikationssysteme. Diese Systeme können auf Fasernetzwerken aufgebaut werden, die miteinander verbundene Knoten umfassen, die aus Qubits und Einzelphotonengeneratoren bestehen, die verschränkte Photonenpaare erzeugen.

In dieser Hinsicht sind Atome und Ionen seltener Erden (SE) in Festkörpermaterialien als Einzelphotonengeneratoren vielversprechend. Diese Materialien sind mit Glasfasernetzwerken kompatibel und emittieren Photonen über einen breiten Wellenlängenbereich. Aufgrund ihres breiten Spektralbereichs könnten mit diesen SE-Elementen dotierte optische Fasern in verschiedenen Anwendungen Verwendung finden, beispielsweise in der Freiraum-Telekommunikation, faserbasierten Telekommunikation, Quantenzufallszahlenerzeugung und hochauflösender Bildanalyse. Bisher wurden Einzelphotonenlichtquellen jedoch unter Verwendung RE-dotierter kristalliner Materialien bei kryogenen Temperaturen entwickelt, was die praktischen Anwendungen darauf basierender Quantennetzwerke einschränkt.

Um die mit Ytterbium dotierte optische Faser herzustellen, haben die Forscher eine kommerziell erhältliche, mit Ytterbium dotierte Faser mithilfe einer Wärme- und Zugtechnik verjüngt, bei der ein Abschnitt der Faser erhitzt und dann unter Spannung gezogen wird, um ihren Durchmesser allmählich zu verringern.

Innerhalb der sich verjüngenden Faser emittieren einzelne SE-Atome Photonen, wenn sie mit einem Laser angeregt werden. Der Abstand zwischen diesen SE-Atomen spielt eine entscheidende Rolle bei der Definition der optischen Eigenschaften der Faser. Wenn beispielsweise der durchschnittliche Abstand zwischen den einzelnen SE-Atomen die optische Beugungsgrenze überschreitet, die durch die Wellenlänge der emittierten Photonen bestimmt wird, scheint das von diesen Atomen emittierte Licht eher von Clustern als von einzelnen einzelnen Quellen zu stammen.

Um die Natur dieser emittierten Photonen zu bestätigen, verwendeten die Forscher eine Analysemethode namens Autokorrelation, die die Ähnlichkeit zwischen einem Signal und seiner verzögerten Version bewertet. Durch die Analyse des emittierten Photonenmusters mittels Autokorrelation beobachteten die Forscher nichtresonante Emissionen und erhielten außerdem Hinweise auf die Photonenemission des einzelnen Ytterbiumions im dotierten Filter.

Während Qualität und Quantität der emittierten Photonen weiter verbessert werden können, kann die entwickelte optische Faser mit Ytterbiumatomen ohne teure Kühlsysteme hergestellt werden. Damit wird eine erhebliche Hürde überwunden und Türen zu verschiedenen Quanteninformationstechnologien der nächsten Generation geöffnet. „Wir haben eine kostengünstige Einzelphotonen-Lichtquelle mit wählbarer Wellenlänge und ohne die Notwendigkeit eines Kühlsystems demonstriert. Künftig kann es verschiedene Quanteninformationstechnologien der nächsten Generation ermöglichen, wie etwa echte Zufallszahlengeneratoren, Quantenkommunikation, Quantenlogikoperationen und hochauflösende Bildanalyse über die Beugungsgrenze hinaus“, schließt Dr. Sanaka.