Mikrowellenphotonen sind mit optischen Photonen verschränkt – Physics World

Forscher in Österreich haben ein Protokoll zur Verschränkung von Mikrowellen- und optischen Photonen demonstriert. Dies könnte dazu beitragen, eines der zentralen Probleme bei der Entstehung eines Quanteninternets zu lösen, indem es Mikrowellenfrequenzschaltkreisen ermöglicht wird, Quanteninformationen über optische Fasern auszutauschen.

Die zentrale Vision, die einem Quanteninternet zugrunde liegt – erstmals 2008 formuliert von Jeff Kimble von Caltech in den USA – besteht darin, dass vernetzte Quantenprozessoren Quanteninformationen austauschen könnten, ähnlich wie klassische Computer klassische Informationen über das Internet austauschen. Die Übertragung von Quanteninformationen ist jedoch weitaus schwieriger, da Hintergrundrauschen Quantenüberlagerungen in einem Prozess namens Dekohärenz zerstören kann.

Viele der leistungsstärksten Quantencomputer, die es gibt, wie etwa der Osprey von IBM, verwenden supraleitende Qubits. Diese arbeiten mit Mikrowellenfrequenzen, was sie extrem anfällig für Störungen durch thermische Hintergrundstrahlung macht – und erklärt, warum sie auf kryogenen Temperaturen gehalten werden müssen. Außerdem wird die Übertragung von Informationen zwischen supraleitenden Qubits extrem erschwert. „[Eine Möglichkeit] besteht darin, ultrakalte Verbindungen aufzubauen“, erklärt Johannes Fink des Institute for Science and Technology Austria in Klosterneuburg. „Der Rekord war einfach veröffentlicht Natur [durch Andreas Wallraffs Gruppe an der ETH Zürich in der Schweiz und Kollegen]: 30 m bei 10–50 mK – das birgt einige Herausforderungen für die Skalierung.“ Im Gegensatz dazu, sagt er, „funktioniert Glasfaser sehr gut für die Kommunikation – wir nutzen sie ständig, wenn wir im Internet surfen“.

Quantentransduktion

Ein Schema, mit dem Quanteninformationen zwischen Mikrowellen-Qubits übertragen werden könnten, indem Photonen über optische Fasern geschickt werden, wäre daher äußerst wertvoll. Der direkteste Ansatz ist die Quantentransduktion, bei der durch die Wechselwirkung mit einem dritten Photon ein Mikrowellenphoton in ein optisches Photon hochkonvertiert wird, das entlang von Fasern gesendet werden kann.

Leider führen praktische Implementierungen dieses Prozesses auch zu Verlusten und Rauschen: „Sie senden zehn Photonen und vielleicht wird nur eines davon umgewandelt … und vielleicht fügt Ihr Gerät einige zusätzliche Photonen hinzu, weil es heiß war oder aus einem anderen Grund“, sagt Finks Doktorand Student Rishab Sahu, der gemeinsamer Erstautor eines Artikels ist, der diese neueste Forschung beschreibt. „Beides beeinträchtigt die Wiedergabetreue der Transduktion.“

Ein alternativer Weg zur Übertragung von Quanteninformationen heißt Quantenteleportation und wurde erstmals 1997 von Anton Zeilingers Gruppe an der Universität Innsbruck experimentell demonstriert – wofür Zeilinger den Beitrag teilte 2022 Nobelpreis für Physik. Wenn ein Qubit mit einem Photon in einem verschränkten Paar interagiert, verschränkt sich sein eigener Quantenzustand mit dem zweiten Photon.

Verschränkungstausch

Ein Quantennetzwerk könnte unter Umgebungsbedingungen entstehen, wenn dieses zweite Photon über eine verlustarme optische Faser wandern könnte, um durch eine sogenannte Bell-Zustandsmessung mit einem identisch vorbereiteten Übertragungsphoton von einem zweiten Netzwerkknoten zu interagieren. Dies würde einen „Verschränkungsaustausch“ zwischen den entfernten supraleitenden Qubits bewirken.

Verschränkte Photonenpaare werden durch einen Prozess namens spontane parametrische Abwärtskonvertierung erzeugt, bei dem sich ein Photon in zwei aufspaltet. Bisher war es jedoch niemandem gelungen, ein verschränktes Photonenpaar zu erzeugen, dessen Energie sich um mehr als den Faktor 10,000 unterschied. Dieser Unterschied umfasst ein Photon bei einer optischen Telekommunikationswellenlänge von etwa 1550 nm; und eine weitere bei einer Mikrowellenwellenlänge von etwa 3 cm.

Finks Gruppe pumpte einen optischen Lithiumniobat-Resonator, der Teil eines Mikrowellenresonators war, mit einem Hochleistungslaser bei Telekommunikationswellenlängen. Der überwiegende Teil des Laserlichts kam einfach unverändert aus dem Resonator zurück und wurde herausgefiltert. Allerdings spaltet sich ungefähr ein Photon pro Puls in zwei verschränkte Photonen auf – eines im Mikrowellenbereich und das andere mit einer Wellenlänge, die nur geringfügig länger ist als die der Pumpphotonen.

Die verschränkte Lichtquelle befindet sich vollständig auf dem Chip

„Wir haben diese Verschränkung überprüft, indem wir die Kovarianzen der beiden Schwankungen des elektromagnetischen Feldes gemessen haben. Wir haben mikrowellenoptische Korrelationen gefunden, die stärker sind als klassisch angenommen, was darauf hindeutet, dass sich die beiden Felder in einem verschränkten Zustand befinden.“ sagt Liu Qui, ein Postdoktorand und Mitautor des Artikels, der die Arbeit beschreibt. Die Forscher hoffen nun, diese Verschränkung auf Qubits und Raumtemperaturfasern auszudehnen, Quantenteleportation zu implementieren und Qubits in separaten Verdünnungskühlschränken zu verschränken.

Alexandre Blais von der Université de Sherbrooke in Kanada arbeitete an Wallraffs Projekt mit Natur Er ist beeindruckt von der Arbeit von Fink und seinem Kollegen: „Normalerweise kommunizieren Optik und Mikrowellen nicht miteinander. Optik ist sehr energiereich und neigt dazu, die Quantenkohärenzeigenschaften Ihrer Mikrowellenschaltungen zu zerstören. Jetzt haben [die Forscher] stehende Photonen: Wenn ich diese Informationen in einen anderen Kühlschrank übertragen möchte, muss ich diese Informationen in ein fliegendes Photon in einer optischen Faser übertragen, und dort wird es Verluste geben. Und dieses Photon muss dann durch diese Faser wandern, in den zweiten Kühlschrank gelangen und etwas zaubern … Wir sollten jetzt nicht glauben, dass dies alles einfach macht – es ist erst der Anfang, aber das beeinträchtigt nicht die Qualität des Experiments. ”

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/microwave-photons-are-entangled-with-optical-photons/