Der diesjährige Nobelpreis für Physik feierte das grundlegende Interesse der Quantenverschränkung und stellte sich auch die potenziellen Anwendungen in der „zweiten Quantenrevolution“ vor – einem neuen Zeitalter, in dem wir in der Lage sind, die Verrücktheit der Quantenmechanik, einschließlich Quantenüberlagerung und -verschränkung, zu manipulieren. Ein groß angelegtes und voll funktionsfähiges Quantennetzwerk ist der heilige Gral der Quanteninformationswissenschaften. Es wird eine neue Grenze der Physik eröffnen, mit neuen Möglichkeiten für Quantenberechnung, Kommunikation und Metrologie.
Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Distanz der Quantenkommunikation auf ein praktisch nutzbares Maß zu erweitern. Im Gegensatz zu klassischen Signalen, die rauschfrei verstärkt werden können, können Quantenzustände in Superposition nicht verstärkt werden, da sie nicht perfekt geklont werden können. Daher erfordert ein Hochleistungs-Quantennetzwerk nicht nur ultra-verlustarme Quantenkanäle und Quantenspeicher, sondern auch Hochleistungs-Quantenlichtquellen. In jüngster Zeit gab es aufregende Fortschritte in der satellitengestützten Quantenkommunikation und bei Quantenrepeatern, aber der Mangel an geeigneten Einzelphotonenquellen hat weitere Fortschritte behindert.
Was wird von einer Einzelphotonenquelle für Quantennetzwerkanwendungen verlangt? Erstens sollte es jeweils ein (nur ein) Photon emittieren. Zweitens sollten die Einzelphotonenquellen, um Helligkeit zu erreichen, eine hohe Systemeffizienz und eine hohe Wiederholungsrate haben. Drittens sollten bei Anwendungen wie der Quantenteleportation, die eine Störung unabhängiger Photonen erfordern, die einzelnen Photonen nicht unterscheidbar sein. Zusätzliche Anforderungen umfassen eine skalierbare Plattform, einstellbare und schmalbandige Linienbreite (vorteilhaft für zeitliche Synchronisation) und Interkonnektivität mit Materie-Qubits.
Eine vielversprechende Quelle sind Quantenpunkte (QDs), Halbleiterpartikel von nur wenigen Nanometern. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Sichtbarkeit von Quanteninterferenzen zwischen unabhängigen QDs jedoch selten die klassische Grenze von 50 % überschritten, und die Entfernungen waren auf wenige Meter oder Kilometer begrenzt.
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonik, hat ein internationales Forscherteam eine gut sichtbare Quanteninterferenz zwischen zwei unabhängigen QDs erreicht, die mit etwa 300 km Glasfasern verbunden sind. Sie berichten von effizienten und nicht unterscheidbaren Einzelphotonenquellen mit extrem rauscharmer, abstimmbarer Einzelphotonen-Frequenzwandlung und langfaseriger Übertragung mit geringer Dispersion.
Die einzelnen Photonen werden von resonant angetriebenen einzelnen QDs erzeugt, die deterministisch an Mikrokavitäten gekoppelt sind. Quantenfrequenzumwandlungen werden verwendet, um die QD-Inhomogenität zu eliminieren und die Emissionswellenlänge in das Telekommunikationsband zu verschieben. Die beobachtete Interferenzsichtbarkeit beträgt bis zu 93 %. Laut dem leitenden Autor Chao-Yang Lu, Professor an der University of Science and Technology of China (USTC), „können machbare Verbesserungen die Entfernung auf etwa 600 km verlängern.“
Lu bemerkt: „Unsere Arbeit sprang von den früheren QD-basierten Quantenexperimenten in einem Maßstab von ~1 km auf 300 km, zwei Größenordnungen größer, und eröffnet somit eine aufregende Perspektive für Festkörper-Quantennetzwerke.“ Mit diesem gemeldeten Sprung könnte die Morgendämmerung von Festkörper-Quantennetzwerken bald anbrechen.
Mehr Informationen:
Xiang You et al, Quanteninterferenz mit unabhängigen Einzelphotonenquellen über 300 km Glasfaser, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003