Forscher haben einen Weg entdeckt, Quanteninformationen zwischen verschiedenen Arten von Quantentechnologien zu „übersetzen“, mit erheblichen Auswirkungen auf Quantencomputer, Kommunikation und Vernetzung.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Am Mittwoch. Es stellt eine neue Möglichkeit dar, Quanteninformationen aus dem von Quantencomputern verwendeten Format in das für die Quantenkommunikation benötigte Format umzuwandeln.
Photonen – Lichtteilchen – sind für Quanteninformationstechnologien unerlässlich, aber verschiedene Technologien verwenden sie mit unterschiedlichen Frequenzen. Beispielsweise basieren einige der gängigsten Quantencomputertechnologien auf supraleitenden Qubits, wie sie beispielsweise von den Technologiegiganten Google und IBM verwendet werden; Diese Qubits speichern Quanteninformationen in Photonen, die sich mit Mikrowellenfrequenzen bewegen.
Aber wenn Sie ein Quantennetzwerk aufbauen oder Quantencomputer anschließen möchten, können Sie keine Mikrowellenphotonen herumschicken, weil ihr Zugriff auf ihre Quanteninformationen zu schwach ist, um die Reise zu überleben.
„Viele der Technologien, die wir für die klassische Kommunikation verwenden – Mobiltelefone, Wi-Fi, GPS und ähnliches – verwenden alle Mikrowellenfrequenzen des Lichts“, sagte Aishwarya Kumar, Postdoc am James Franck Institute der University of Chicago und Hauptautor auf dem Papier. „Aber für die Quantenkommunikation ist das nicht möglich, da die benötigte Quanteninformation in einem einzelnen Photon enthalten ist. Und bei Mikrowellenfrequenzen wird diese Information im thermischen Rauschen begraben.“
Die Lösung besteht darin, die Quanteninformation auf ein höherfrequentes Photon, ein sogenanntes optisches Photon, zu übertragen, das viel widerstandsfähiger gegen Umgebungsgeräusche ist. Aber die Information kann nicht direkt von Photon zu Photon übertragen werden; Stattdessen brauchen wir Zwischenmaterie. Einige Experimente entwerfen Festkörpergeräte für diesen Zweck, aber Kumars Experiment zielte auf etwas Grundlegenderes ab: Atome.
Die Elektronen in Atomen dürfen immer nur bestimmte Energiemengen haben, die Energieniveaus genannt werden. Wenn ein Elektron auf einem niedrigeren Energieniveau sitzt, kann es auf ein höheres Energieniveau angeregt werden, indem es mit einem Photon getroffen wird, dessen Energie genau der Differenz zwischen dem höheren und dem niedrigeren Niveau entspricht. Wenn ein Elektron gezwungen wird, auf ein niedrigeres Energieniveau zu fallen, emittiert das Atom ein Photon mit einer Energie, die der Energiedifferenz zwischen den Niveaus entspricht.
Rubidiumatome haben zufällig zwei Lücken in ihren Ebenen, die Kumars Technologie ausnutzt: eine, die genau der Energie eines Mikrowellenphotons entspricht, und eine, die genau der Energie eines optischen Photons entspricht. Durch die Verwendung von Lasern, um die Elektronenenergien des Atoms nach oben und unten zu verschieben, ermöglicht die Technologie dem Atom, ein Mikrowellenphoton mit Quanteninformation zu absorbieren und dann ein optisches Photon mit dieser Quanteninformation zu emittieren. Diese Übersetzung zwischen verschiedenen Modi der Quanteninformation wird „Transduktion“ genannt.
Die effektive Verwendung von Atomen für diesen Zweck wird durch die bedeutenden Fortschritte ermöglicht, die Wissenschaftler bei der Manipulation solch kleiner Objekte gemacht haben. „Wir als Gemeinschaft haben in den letzten 20 oder 30 Jahren eine bemerkenswerte Technologie entwickelt, mit der wir im Wesentlichen alles über die Atome kontrollieren können“, sagte Kumar. „Das Experiment ist also sehr kontrolliert und effizient.“
Er sagt, das andere Erfolgsgeheimnis sei der Fortschritt auf dem Gebiet der Hohlraum-Quantenelektrodynamik, bei der ein Photon in einer supraleitenden, reflektierenden Kammer eingefangen wird. Der supraleitende Hohlraum zwingt das Photon dazu, in einem geschlossenen Raum herumzuspringen, und verstärkt die Wechselwirkung zwischen dem Photon und der Materie, die sich darin befindet.
Ihre Kammer sieht nicht sehr geschlossen aus – tatsächlich ähnelt sie eher einem Block Schweizer Käse. Aber was wie Löcher aussieht, ist eigentlich ein Tunnel, der sich in einer ganz bestimmten Geometrie schneidet, sodass Photonen oder Atome an einem Schnittpunkt eingefangen werden können. Es ist ein cleveres Design, das den Forschern auch den Zugang zur Kammer ermöglicht, damit sie die Atome und Photonen injizieren können.
Die Technologie funktioniert in beide Richtungen: Sie kann Quanteninformationen von Mikrowellenphotonen auf optische Photonen übertragen und umgekehrt. Es kann sich also auf beiden Seiten einer Fernverbindung zwischen zwei supraleitenden Qubit-Quantencomputern befinden und als grundlegender Baustein für ein Quanteninternet dienen.
Aber Kumar glaubt, dass es viel mehr Anwendungen für diese Technologie geben könnte als nur Quantennetzwerke. Seine Kernfähigkeit besteht darin, Atome und Photonen stark zu verschränken – eine wesentliche und schwierige Aufgabe in vielen verschiedenen Quantentechnologien auf diesem Gebiet.
„Eines der Dinge, auf die wir wirklich gespannt sind, ist die Fähigkeit dieser Plattform, eine wirklich effiziente Verschränkung zu erzeugen“, sagte er. „Verschränkung ist von zentraler Bedeutung für fast alles, was uns an Quanten interessiert, von Computern über Simulationen bis hin zu Metrologie und Atomuhren. Ich bin gespannt, was wir sonst noch tun können.“
Mehr Informationen:
Aishwarya Kumar et al, Quantenfähige Millimeterwellen-zu-Optik-Transduktion mit neutralen Atomen, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05740-2
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