Eine einfachere Möglichkeit, Quantencomputer zu verbinden

Ein neues Atomgerät sendet hochpräzise Quanteninformationen über Glasfasernetze

Princeton University, Ingenieurschule

Bild: Forscher der Princeton University haben eine neue Möglichkeit geschaffen, Quantencomputer mithilfe von Lichtwellenlängen im Telekommunikationsband mit High-Fidelity-Signalen zu verbinden.mehr sehen

Bildnachweis: Foto von Sameer A. Khan/Fotobuddy

Forscher haben eine neue Möglichkeit gefunden, Quantengeräte über große Entfernungen zu verbinden, ein notwendiger Schritt, damit die Technologie eine Rolle in zukünftigen Kommunikationssystemen spielen kann.

Während die heutigen klassischen Datensignale in einer Stadt oder einem Ozean verstärkt werden können, ist dies bei Quantensignalen nicht der Fall. Sie müssen in Intervallen wiederholt werden, also von speziellen Maschinen, sogenannten Quantenrepeatern, gestoppt, kopiert und weitergegeben werden. Viele Experten gehen davon aus, dass diese Quantenrepeater eine Schlüsselrolle in zukünftigen Kommunikationsnetzen spielen werden, da sie eine erhöhte Sicherheit ermöglichen und Verbindungen zwischen entfernten Quantencomputern ermöglichen.

Die am 30. August in Nature veröffentlichte Princeton-Studie beschreibt detailliert die Grundlage für einen neuen Ansatz zum Bau von Quantenrepeatern. Es sendet für die Telekommunikation geeignetes Licht aus, das von einem einzelnen, in einen Kristall implantierten Ion ausgestrahlt wird. Laut Jeff Thompson, dem Hauptautor der Studie, dauerte die Arbeit viele Jahre. Die Arbeit kombinierte Fortschritte im photonischen Design und in der Materialwissenschaft.

Andere führende Quantenrepeater-Designs emittieren Licht im sichtbaren Spektrum, das über Glasfasern schnell abgebaut wird und vor der Übertragung über große Entfernungen umgewandelt werden muss. Das neue Gerät basiert auf einem einzelnen Seltenerd-Ion, das in einen Wirtskristall implantiert wird. Und da dieses Ion Licht mit einer idealen Infrarotwellenlänge emittiert, ist eine solche Signalumwandlung nicht erforderlich, was zu einfacheren und robusteren Netzwerken führen kann.

Das Gerät besteht aus zwei Teilen: einem Kalziumwolframatkristall, der mit nur einer Handvoll Erbiumionen dotiert ist, und einem nanoskopischen Stück Silizium, das in einen J-förmigen Kanal geätzt ist. Mit einem speziellen Laser gepulst, emittiert das Ion Licht durch den Kristall. Aber das Siliziumstück, ein Hauch eines Halbleiters, der auf der Oberseite des Kristalls klebt, fängt einzelne Photonen ein und leitet sie in das Glasfaserkabel.

Im Idealfall würde dieses Photon mit den Informationen des Ions kodiert sein, sagte Thompson. Oder genauer gesagt, von einer Quanteneigenschaft des Ions namens Spin. In einem Quantenrepeater würde das Sammeln und Interferenzieren der Signale von entfernten Knoten zu einer Verschränkung zwischen ihren Spins führen, was eine durchgehende Übertragung von Quantenzuständen trotz Verlusten auf dem Weg ermöglichen würde.

Thompsons Team begann bereits einige Jahre zuvor mit der Arbeit mit Erbiumionen, doch in den ersten Versionen wurden andere Kristalle verwendet, die zu viel Rauschen aufwiesen. Dieses Rauschen führte insbesondere dazu, dass die Frequenz der emittierten Photonen in einem Prozess, der als spektrale Diffusion bekannt ist, zufällig hin und her schwankte. Dies verhinderte die empfindliche Quanteninterferenz, die für den Betrieb von Quantennetzwerken notwendig ist. Um dieses Problem zu lösen, begann sein Labor mit Nathalie de Leon, außerordentlicher Professorin für Elektrotechnik und Computertechnik, und Robert Cava, einem führenden Wissenschaftler für Festkörpermaterialien und Russell Wellman Moore-Professor für Chemie an der Princeton University, zusammenzuarbeiten, um neue Materialien zu erforschen, die einzelne Zellen beherbergen könnten Erbiumionen mit viel weniger Rauschen.

Sie durchsuchten die Liste der Kandidatenmaterialien von Hunderttausenden auf ein paar Hundert, dann ein paar Dutzend, dann drei. Jeder der drei Finalisten brauchte ein halbes Jahr zum Testen. Das erste Material erwies sich als nicht ganz klar genug. Der zweite Grund war, dass das Erbium schlechte Quanteneigenschaften hatte. Aber das dritte, das Calciumwolframat, war genau richtig.

Um zu demonstrieren, dass das neue Material für Quantennetzwerke geeignet ist, bauten die Forscher ein Interferometer, bei dem Photonen zufällig einen von zwei Wegen durchlaufen: einen kurzen Weg, der mehrere Fuß lang ist, oder einen langen Weg, der 22 Meilen lang ist (aus gespulter Optik). Faser). Vom Ion emittierte Photonen können den langen oder kurzen Weg nehmen, und in etwa der Hälfte der Fälle nehmen aufeinanderfolgende Photonen entgegengesetzte Wege und kommen gleichzeitig am Ausgang an.

Wenn es zu einer solchen Kollision kommt, führt die Quanteninterferenz dazu, dass die Photonen den Ausgang nur dann paarweise verlassen, wenn sie grundsätzlich nicht unterscheidbar sind – also die gleiche Form und Frequenz haben. Andernfalls verlassen sie das Interferometer einzeln. Durch die Beobachtung einer starken Unterdrückung – bis zu 80 Prozent – ​​einzelner Photonen am Ausgang des Interferometers konnte das Team schlüssig beweisen, dass die Erbiumionen im neuen Material nicht unterscheidbare Photonen emittieren. Laut Salim Ourari, einem Doktoranden, der die Forschung mit leitete, liegt das Signal damit deutlich über der HiFi-Schwelle.

Während diese Arbeit eine wichtige Schwelle überschreitet, sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Speicherzeit von Quantenzuständen im Spin des Erbiumions zu verbessern. Das Team arbeitet derzeit daran, höher raffiniertes Calciumwolframat mit weniger Verunreinigungen herzustellen, die die Quantenspinzustände stören.

Der Artikel „Indistinguishable telecom band photons from a single erbium ion in the solid state“ wurde in der Zeitschrift Nature mit Unterstützung des US-Energieministeriums, des Office of Science, der National Quantum Information Science Research Centers und des Co-Design Centers veröffentlicht für Quantum Advantage (C2QA). Zu den Autoren zählen neben Thompson, Cava und Ourari auch Łukasz Dusanowski, Sebastian P. Horvath, Mehmet T. Uysal, Christopher M. Phenicie, Paul Stevenson, Mouktik Raha, Songtao Chen und Nathalie de Leon. Ourari, Dusanowski, Horvarth und Uysal trugen alle gleichermaßen bei.

Natur

10.1038/s41586-023-06281-4

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Nicht unterscheidbare Telekommunikationsbandphotonen von einem einzelnen Erbiumion im Festkörper

30. August 2023

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