Neue Hardware für Quantennetzwerke

4. November 2022

Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität München haben gezeigt, dass sich einzelne Atome in einer dünnen kristallinen Platte mithilfe von Licht einer genau eingestellten Farbe auflösen und individuell steuern lassen. Dieser Schritt ermöglicht es, zwischen den Atomen Quanteninformation auszutauschen, um erweiterte Quantennetzwerke zu schaffen. Die Arbeit wurde von Andreas Reiserer geleitet und vergangene Woche auf der Titelseite des Fachjournals Science Advances veröffentlicht.

Die Umsetzung globaler Quantennetzwerke, in denen entfernte Träger von Quanteninformationen (so genannte "Qubits") durch Licht in optischen Fasern verbunden sind, gehört zu den am intensivsten verfolgten Forschungszielen in der Quantentechnologie. Um ein solches Netzwerk zu realisieren, benötigt man effiziente Wechselwirkungen zwischen den Qubits und einzelnen Lichtteilchen. Diese lassen sich in ähnlicher Weise ermöglichen, wie man die Interaktionen zwischen Menschen fördern würde: Die Idee ist, sie auf einen kleinen Bereich des Raums zu begrenzen - je kleiner der Raum, desto besser - und sie zu zwingen, lange zu bleiben - je länger die Dauer, desto besser.

In der für Quantennetzwerke verwendeten Hardware wird diese Begrenzung erreicht, in dem man Qubits in optische Resonatoren einbettet. In früheren Experimenten wurden zu diesem Zweck Resonatoren mit nanoskaligen Abmessungen verwendet. Während ihre geringe Größe die Wechselwirkung zwischen Qubit und Licht stark verbessert, stört die Nähe von Grenzflächen die Qubits und beeinträchtigt ihre Eigenschaften, was bisher Quantenanwendungen behindert hat.

Diese Limitation konnten Ulanowski, Merkel und Reiserer in ihrer neuen Arbeit überwinden, indem sie Erbium-Atome als Qubits in eine 0,02 Millimeter dünne kristalline Platte integrierten, die zwischen zwei Spiegeln mit einer Reflektivität von mindestens 99,99 % eingebettet ist. Die Spiegel fangen die emittierten Lichtfelder lange genug ein, um starke Wechselwirkungen mit den Qubits zu erzeugen. Gleichzeitig ist der Abstand zwischen den Qubits und der Schnittstelle groß genug, um eine Störung der Qubits zu vermeiden. Dank dieser Fortschritte kann die Gruppe nun mehr als 100 Qubits in ein und demselben Resonator auflösen und kontrollieren, indem sie einfach einen Laser auf eine passende Frequenz abstimmt. Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Qubits mit räumlich entfernten Qubits zu verbinden. „Damit wird sich diese experimentelle Plattform als einer der führenden Kandidaten für die sichere Verbindung von Quantencomputern in einem zukünftigen Quanteninternet etablieren“, so Andreas Reiserer.

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