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Physiker entwickeln „Quanten-Modem“

Bauteil könnte Schnittstelle zwischen Quantencomputern und Glasfasernetz bilden

Quanten-Modem
Dieses Bauteil kann die Information mobiler Quanteninformation in stationäre Qubits übertragen. © MPI für Quantenoptik

„Übersetzer“ zwischen Qubits und Photonen: Deutsche Physiker haben eine Vorstufe zu einem neuartigen Quanten-Modem entwickelt – einem Bauteil, das Information von einem Quantencomputer in das Glasfasernetz schickt oder umgekehrt, ohne deren Quanteneigenschaften zu zerstören. In ersten Tests erwies sich das Bauteil aus Erbiumatomen in einem Silikatkristall bereits als effizienter „Übersetzer“, wie die Forscher berichten.

Quantencomputer und das Quanten-Internet gelten als vielversprechende Zukunftstechnologien. Doch um Quantensysteme miteinander zu vernetzen, sind spezielle Schnittstellen nötig. Sie müssen Information von den Quantenbits der Computer auf Photonen als mobile Qubit-Träger im Glasfasernetz übertragen und zurück, ohne dass störanfällige Quantenzustände wie Verschränkung oder Überlagerung verloren gehen. Bisher werden als „Übersetzer“ vor allem nanostrukturierte Kristalle getestet, die allerdings eine geringe Effizienz besitzen – nur ein Teil der Quanteninformation wird weitergeleitet.

Quanten-Modem
Aufbau des Quanten-Modems: Durch Infrarotlicht angeregte Quantenübergänge von Erbiumatomen in einer Kristallscheibe reagieren als Qubits und übertragen so die Information.© Burke et al. /PNAS

Eingesperrte Erbiumatome als „Übersetzer“

Abhilfe schaffen könnte nun ein neuer Ansatz für Quanten-Modems, das Benjamin Merkel und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching entwickelt haben. Ihr Bauteil besteht aus einem Resonator – einer Art Spiegelkabinett, in dem Erbiumatome in eine dünne Schicht aus Yttrium-Orthosilikat eingebettet sind. Das Silikat fixiert die Erbiumatome und zwingt sie dazu, auf Beschuss mit Infrarot-Photonen mit einem Quantensprung zu reagieren.

„Die für diesen Wechsel des Quantenzustands nötige Wellenlänge um 1.536,4 Nanometer stellt einen nur minimalen Verlust in optischen Fasern sicher“, erklären die Forscher. Gleichzeitig bleibt die Anregung der Erbiumatome bis zu vier Millisekunden bestehen. Diese Lebensdauer ist nötig, um die Kohärenz der optischen Übertragung von Quanteninformation aufrechtzuerhalten. Um die für Quanteninformation zerstörerische Eigenbewegung der Atome auszuschalten, wird das Ganze auf minus 271 Grad heruntergekühlt.

Vom Prototyp zum Quanten-Repeater

In ersten Tests erwies sich dieser Ansatz für ein Quanten-Modem gegenüber bisherigen Systemen als deutlich effizienter: „Der Einsatz von Erbium-dotiertem Yttrium-Orthosilikat führt zu einer 59-fachen Verstärkung der Emissionsrate mit einer Auskopplungs-Effizienz von 46 Prozent“, berichten die Forscher. Anders ausgedrückt: Eine Übertragung von stationärer Quanteninformation auf Photonen im bestehenden Telekommunikations-Glasfasernetz wäre damit relativ effizient möglich.

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Als nächstes wollen die Physiker das Experiment so verbessern, dass auch einzelne Erbiumatome via Laserlicht als Qubits adressierbar sind. Das ist nicht nur die Voraussetzung für ein Quanten-Modem die Erbiumatome könnten damit sogar direkt als Quantenprozessor eingesetzt werden – als zentrales Bauteil eines Quantenrechners. Das würde das Modem auf einfache Weise kompatibel mit solchen Quantenendgeräten machen.

Auch vergleichsweise einfach konstruierte „Quantenrepeater“ wären dann möglich. Solche Geräte müssen im Glasfasernetz alle hundert Kilometer die zunehmenden Verluste der Quanteninformation transportieren Photonen als Zwischenverstärker ausgleichen. „Obwohl so ein Gerät auf Basis unserer Technologie hunderttausend Euro kosten würde, wäre ein flächendeckender Einsatz nicht unrealistisch“, sagt Reiserer. Noch allerdings ist das Garchinger Quanten-Modem reine Grundlagenforschung. Doch es hat das Potenzial, die technische Realisierung eines Quanteninternets voranzutreiben. (Physical Review X, 2020; doi: 10.1103/PhysRevX.10.041025)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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