Ein Seltenerdatom kann einen Quantenrepeater bei Telekommunikationswellenlängen herstellen – Physics World

Forschern der Princeton University in den USA ist dank eines seltenen Erdelements, Erbium, ein wichtiger Schritt zur Realisierung skalierbarer Quantennetzwerke gelungen. Erbium ist gut in der Lage, Photonen bei Wellenlängen zu emittieren und zu absorbieren, die in der Telekommunikationsindustrie verwendet werden. Dies ist ein Vorteil, da diese Photonen in Standard-Lichtwellenleitern große Entfernungen mit geringer Dämpfung zurücklegen können. Diese Stärke im Quantenbereich zu nutzen, war eine Herausforderung, aber dem Princeton-Team gelang es, ein Erbium-basiertes Gerät dazu zu bringen, identische Photonen zu emittieren – eine Voraussetzung dafür, dass Quantenrepeater Quanteninformationen über große Entfernungen austauschen können.

„Erbiumdotierte Fasern werden als klassische Repeater verwendet, um klassische Faserverstärker für alle Arten optischer Kommunikationsverbindungen herzustellen, wie zum Beispiel Langstrecken-Unterseekabel“, sagt er Jeff Thompson, Professor für Elektro- und Computertechnik in Princeton und Hauptforscher der Arbeit. „Für mich war es daher ganz natürlich, eine Quantenversion davon zu entwickeln.“

Vorteilhaft, aber schwierig zu handhaben

Photonen mögen zwar natürliche Informationsträger sein, aber man kann sie nur schwer festhalten und interagieren selten miteinander. Das heißt, wenn ein Photon verloren geht oder sich die darin kodierten Informationen verschlechtern, können andere Photonen nicht zur Rettung kommen. Stattdessen müssen Quanteninformationen in einer Art Speicher gespeichert werden – in diesem Fall in einem Atom. „Ein Quantenrepeater ist eigentlich nur eine Möglichkeit, Quanteninformationen zwischen Licht und Atomen hin und her abzubilden“, erklärt Elisabeth Goldschmidt, ein Professor für Quantenoptik an der University of Illinois-Urbana Champaign, USA, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

In auf Repeatern basierenden Quantennetzwerken besteht die Idee darin, eine Verschränkung zwischen zwei entfernten Punkten herzustellen, indem diese Entfernung in Blöcke unterteilt wird. Dies funktioniert dadurch, dass ein Quantenrepeater an einem Ende des Fernkanals ein Photon aussendet und sich dabei mit diesem verschränkt. Ein weiterer Repeater in kurzer Entfernung im Kanal sendet ebenfalls ein Photon in Richtung des ersten. Wenn die beiden Photonen aufeinandertreffen, werden sie so gemessen, dass sie verschränkt werden. Solange die Photonen mit ihren jeweiligen Emittern verschränkt bleiben, verschränken sich auch die Emitter. Durch die Fortsetzung dieses Prozesses in der Kette werden sich schließlich die beiden Emitter an den gegenüberliegenden Enden des Kanals verschränken. Dann können sie als gemeinsame Schlüssel in einem Quantenschlüsselverteilungsschema verwendet werden oder sie können ein bisschen Quanteninformation über ein Quantenteleportationsprotokoll teilen.

Sprich mir nach

Andere Quantenrepeater-Technologien wurden unter Verwendung verschiedener Atome oder Defekte im Diamant entwickelt. Allerdings emittieren diese Systeme im Allgemeinen Photonen mit nahezu sichtbaren Frequenzen, die in optischen Fasern schnell gedämpft werden. Um optimal zu funktionieren, ist eine Frequenzumwandlung erforderlich, die komplex und teuer sein kann. Ein Repeater, der automatisch Licht in der gewünschten Farbe aussendet, würde den Vorgang erheblich vereinfachen.

Damit ein Erbiumatom als solcher Quantenrepeater funktioniert, müssen vor allem zwei Dinge stimmen. Erstens muss das Atom Photonen schnell genug emittieren, um das Schema umzusetzen. Zweitens muss das emittierte Photon seine Quanteneigenschaften bewahren und trotz Störungen mit dem Atom, das es emittiert hat, verschränkt bleiben – eine Eigenschaft, die als Kohärenz bezeichnet wird.

Leider emittieren Erbiumatome in freier Wildbahn nur sehr selten Photonen im Telekommunikationsband. Um die Emissionsrate von Erbium in der gewünschten Farbe zu erhöhen, platzierte das Team das Atom in einem Kristall, nur Nanometer von der Oberfläche entfernt. Auf diesem Kristall platzierten sie einen Hohlraum, bei dem es sich um ein nanophotonisches Siliziumgerät handelt, das Licht mit der genauen Wellenlänge einfängt, die Erbium aussendet. Indem sie das Erbiumatom in diesen Hohlraum einfügten, brachten die Princeton-Forscher ihn dazu, fast 1000-mal häufiger Telekommunikationsphotonen auszusenden, als dies sonst der Fall wäre.

Wähle weise

Um die Quantenkohärenz der Photonen lange genug aufrechtzuerhalten, um die Verschränkung zu übertragen, mussten Thompson und Kollegen ihr Kristallmaterial sehr sorgfältig auswählen. Von den Tausenden anfänglicher Möglichkeiten probierten sie etwa 20 im Labor aus, bevor sie sich für Kalziumwolframat entschieden, wodurch die Kohärenz der emittierten Photonen hoch genug war, um an der Quanteninterferenz untereinander teilzunehmen. Diese Quanteninterferenz ist für die Photonenverschränkungsmessstufe in der Quanten-Repeater-Architektur notwendig.

Neue Quantenrepeater könnten ein skalierbares Quanteninternet ermöglichen

Der nächste Schritt, der nach Ansicht der Princeton-Forscher in greifbarer Nähe liegt, besteht darin, die Verschränkung zwischen Photonen zu demonstrieren, die von verschiedenen Erbiumatomen emittiert werden. Danach gilt es, die Repeater miteinander zu verketten, um einen Quantenkommunikationskanal zu bilden. Die Forscher glauben, dass diese Technologie leicht zu skalieren sein sollte, da sie die ausgereifte Silizium-Photonik-Industrie nutzt. „Ich denke, das ist eine sehr neue und wichtige Sache“, sagt Goldschmidt. „Seltenerdatome können einen Großteil der hervorragenden Kohärenz beibehalten, die man mit Atomen oder Ionen im Vakuum erhält, und sind gleichzeitig hochtechnisch und mit der Geräteintegration kompatibel, wie diese Arbeit so deutlich zeigt.“

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/