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Jun 07, 2023

Quantencomputer könnten sich bald über größere Entfernungen verbinden

Bartlomiej Wroblewski/iStock Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden. Wussten Sie, dass Quantenübertragungen über einer Stadt oder einem Ozean nicht verstärkt werden können?

Bartlomiej Wroblewski/iStock

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Wussten Sie, dass Quantenübertragungen nicht wie herkömmliche Datensignale über einer Stadt oder einem Ozean verstärkt werden können? Stattdessen müssen sie mithilfe spezieller Geräte, sogenannter Quantenrepeater, regelmäßig wiederholt werden.

Damit die Technologie in zukünftigen Kommunikationsnetzwerken zum Einsatz kommen kann, haben Forscher eine neuartige Methode entwickelt, Quantengeräte über große Entfernungen zu verbinden.

Da die Repeater in Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Verbindung entfernter Quantencomputer und der Verbesserung der Sicherheit in Kommunikationsnetzwerken spielen werden, hat ein Forscherteam aus Princeton in seiner am 30. August in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie einen neuen Ansatz zum Bau von Quantenrepeatern detailliert beschrieben.

Die Idee besteht aus Repeatern, die dank eines in einen Kristall eingefügten Ions Licht übertragen, das für die Telekommunikation geeignet ist.

Das sichtbare Spektrum, das von bestimmten anderen gängigen Quanten-Repeater-Systemen ausgestrahlt wird, wird durch Glasfasern schnell abgebaut und muss transformiert werden, bevor es über große Entfernungen gesendet werden kann.

Laut Jeff Thompson, dem Hauptautor des Artikels, dient ein einzelnes Seltenerd-Ion, das in einen Wirtskristall implantiert wird, als Grundlage des neuen Geräts. Da dieses Ion außerdem Licht mit einer perfekten Infrarotwellenlänge erzeugt, muss es keine Signale umwandeln, was zu einfacheren und zuverlässigeren Netzwerken führen kann.

„Die Bemühungen dauerten viele Jahre. Die Arbeit kombinierte Fortschritte im photonischen Design und in der Materialwissenschaft“, sagte Thompson in einer Pressemitteilung.

Das Design des Geräts besteht aus zwei Komponenten: einer nanoskopischen Siliziumscheibe, die in einen J-förmigen Kanal geätzt wurde, und einem Kalziumwolframatkristall, der mit einer kleinen Anzahl Erbiumionen dotiert ist. Das Ion emittiert Licht durch den Kristall, wenn es von einem einzigartigen Laser gepulst wird.

Allerdings fängt die Siliziumkomponente, ein winziger Halbleiter-Flügel, der an der Spitze des Kristalls befestigt ist, einzelne Photonen ein und leitet sie in das Glasfaserkabel.

Das Team erklärt, dass im Idealfall die Informationen des Ions in dieses Photon eingebettet würden. Genauer gesagt aus dem Spin des Ions, einer Quanteneigenschaft. In einem Quantenrepeater würde eine Verschränkung zwischen den Spins entfernter Knoten erzeugt, indem die Signale dieser Knoten gesammelt und gestört werden, was eine durchgehende Übertragung von Quantenzuständen trotz Übertragungsverlusten ermöglicht.

Das Team begann seine Arbeit mit Erbiumionen bereits mehrere Jahre zuvor, doch die in der früheren Version verwendeten Kristalle erzeugten erhebliches Rauschen. „Dieses Rauschen führte dazu, dass die Frequenz der emittierten Photonen in einem Prozess, der als Spektraldiffusion bekannt ist, zufällig hin und her sprang.“

Aus Hunderttausenden potenziellen Materialien haben sie die Liste auf ein paar Hundert, dann auf ein Dutzend und dann auf drei reduziert. Die Tests für jeden der drei Finalisten dauerten sechs Monate. Für optimale Ergebnisse konzentrierte sich das Team auf Calciumwolframatkristalle.

Das Team nutzte ein Interferometer, das zwei oder mehr Lichtquellen zu einem Interferenzmuster zusammenführt, um nachzuweisen, dass Erbiumionen im neuen Material nicht unterscheidbare Photonen emittieren und dass „das Signal deutlich über der HiFi-Schwelle liegt“.

Während diese Studie einen erheblichen Schwellenwert überschreitet, arbeitet das Team nun daran, den Zeitraum zu verlängern, in dem Quantenzustände im Spin des Erbiumions gespeichert werden können. Die Gruppe strebt nun danach, Kalziumwolframat herzustellen, das gründlicher gereinigt ist und weniger Verunreinigungen enthält, die die Quantenspinzustände stören.

Die vollständige Studie wurde am 30. August in Nature veröffentlicht und ist hier zu finden.

Abstrakt

Atomdefekte im Festkörper sind eine Schlüsselkomponente von Quanten-Repeater-Netzwerken für die Quantenkommunikation über große Entfernungen1. In jüngster Zeit besteht großes Interesse an Seltenerdionen, insbesondere Er3+, für den optischen Übergang im Telekommunikationsband, der die Übertragung über große Entfernungen in Glasfasern ermöglicht. Allerdings wurde die Entwicklung von Repeater-Knoten auf der Basis von Seltenerdionen durch optische Spektraldiffusion behindert, was die Erzeugung nicht unterscheidbarer Einzelphotonen verhinderte. Hier implantieren wir Er3+ in CaWO4, ein Material, das eine unpolare Standortsymmetrie, eine geringe Dekohärenz von Kernspins und frei von Hintergrundionen seltener Erden kombiniert, um eine deutlich reduzierte optische Spektraldiffusion zu erreichen. Für flach implantierte Ionen, die an nanophotonische Hohlräume mit großem Purcell-Faktor gekoppelt sind, beobachten wir optische Einzelscan-Linienbreiten von 150 kHz und langfristige spektrale Diffusion von 63 kHz, beide nahe der Purcell-verstärkten Strahlungslinienbreite von 21 kHz. Dies ermöglicht die Beobachtung der Hong-Ou-Mandel-Interferenz zwischen nacheinander emittierten Photonen mit einer Sichtbarkeit von V = 80(4) %, gemessen nach einer Verzögerungsstrecke von 36 km. Wir beobachten auch Spinrelaxationszeiten T1,s = 3,7 s und T2,s > 200 μs, wobei letztere durch paramagnetische Verunreinigungen im Kristall anstelle von Kernspins begrenzt werden. Dies stellt einen bemerkenswerten Schritt in Richtung des Aufbaus von Telekommunikationsband-Quantenrepeater-Netzwerken mit einzelnen Er3+-Ionen dar.