Ingenieure am California Institute of Technology haben gezeigt, dass Atome in den Hohlräumen optischer Hohlräume zu einer der Haupttechnologien für das Funktionieren des Quanteninternets werden können. Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeiten in der Zeitschrift Nature.
Quantennetzwerke verbinden Quantencomputer über ein spezielles System, das eine Verbindung zwischen ihnen herstellt. Theoretisch werden Quantencomputer eines Tages in der Lage sein, bestimmte Funktionen schneller als klassische Computersysteme auszuführen, wobei Eigenschaften der Quantenmechanik wie die Überlagerung von Zuständen verwendet werden, wodurch Quantenbits gleichzeitig Null und Eins sein können.
Wie bei klassischen Computern möchten Wissenschaftler mehrere Quantencomputer verbinden, um Daten auszutauschen und zusammenzuarbeiten - um eine Art "Quanteninternet" zu schaffen. Dies würde die Tür zu einer Vielzahl von Anwendungen öffnen, einschließlich verteiltem Quantencomputer und verschlüsselter Kommunikation. Ein solches Netzwerk muss jedoch in der Lage sein, Informationen zwischen zwei Geräten zu übertragen, ohne die Quanteneigenschaften der übertragenen Informationen zu ändern.
Das aktuelle Modell funktioniert folgendermaßen: Ein Atom oder Ion wirkt wie ein Qubit und speichert Informationen über seine Quanteneigenschaften wie Spin. Um diese Informationen zu lesen und an einen anderen Ort zu übertragen, muss das Atom mit einem Lichtimpuls angeregt werden, wodurch es ein Photon emittiert, dessen Spin mit dem Spin des Atoms verwickelt ist und diesem entspricht. Das Photon kann dann Informationen, die dem Atom zugeordnet sind, über eine lange Distanz über ein Glasfaserkabel übertragen. Aber es ist schwieriger als es sich anhört. Die meisten Atome reagieren empfindlich auf Schwankungen der magnetischen und elektrischen Felder, was zu Fehlern beim Betrieb der darauf basierenden Geräte führt.
Um dieses Problem zu lösen, bauten die Caltech-Forscher einen nanophotonischen Resonator - einen etwa 10 Mikrometer langen Stab mit einem speziellen Muster auf seiner Oberfläche, das aus einem Yttriumorthovanadatkristall geätzt wurde. Dann platzierten die Wissenschaftler ein Ion des Seltenerdmetalls Ytterbium Yb 3+ in der Mitte. Wenn Strahlung durch einen solchen Resonator übertragen wird, passiert sie mehrmals den Stab und wird schließlich, nachdem sie genügend Energie verloren hat, vom Ytterbiumion absorbiert. Die Autoren zeigten auch, dass die Hohlräume im Material die Umgebung des Ions verändern, wodurch das emittierte Photon bis zu 99% der Zeit im Material verbleiben kann und Wissenschaftler in der Zwischenzeit seine Eigenschaften messen können.
Darüber hinaus können Ytterbiumionen 30 Millisekunden lang Informationen auf ihrem Rücken speichern. Dies reicht aus, um Informationen über die kontinentalen Vereinigten Staaten zu übertragen. Das Team konzentriert sich derzeit auf die Erstellung der Bausteine eines Quantennetzwerks. Sie hoffen dann, ihre Experimente zu erweitern und die beiden Quantenbits weit voneinander entfernt zu verbinden.
Verfasser: Nikita Shevtsev
