Forscher speichern ein Quantenbit für rekordverdächtige 20 Millisekunden

Computer, Smartphones, GPS: Die Quantenphysik hat viele technologische Fortschritte ermöglicht. Nun erschließt sie neue Forschungsfelder in der Kryptografie (der Kunst der Verschlüsselung von Nachrichten) mit dem Ziel, hochsichere Telekommunikationsnetze zu entwickeln. Es gibt jedoch ein Hindernis: Nach einigen hundert Kilometern innerhalb einer Glasfaser verschwinden die Photonen, die die Qubits oder „Quantenbits“ (die Informationen) tragen. Sie brauchen deshalb „Repeater“, eine Art „Relais“, die zum Teil auf einem Quantenspeicher basieren. Indem es einem Team der Universität Genf (UNIGE) gelang, ein Qubit 20 Millisekunden lang in einem Kristall (einem „Speicher“) zu speichern, hat es einen Weltrekord aufgestellt und einen großen Schritt in Richtung der Entwicklung von Langstrecken-Quantentelekommunikationsnetzen gemacht. Diese Forschung kann in der Zeitschrift gefunden werden npj Quanteninformation.

Die im 20. Jahrhundert entwickelte Quantenphysik hat es Wissenschaftlern ermöglicht, das Verhalten von Atomen und Teilchen sowie bestimmte Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben. Durch den Bruch mit der klassischen Physik lösten diese Theorien eine echte Revolution aus und führten Begriffe ein, die in der makroskopischen Welt ihresgleichen suchen, wie Überlagerung, die die Möglichkeit beschreibt, dass ein Teilchen an mehreren Orten gleichzeitig sein kann, oder Verschränkung, die die Fähigkeit zweier Teilchen beschreibt auch aus der Ferne augenblicklich aufeinander einwirken („spooky action at a distance“).

Quantentheorien stehen heute im Mittelpunkt vieler Forschungen in der Kryptographie, einer Disziplin, die Techniken zur Verschlüsselung einer Nachricht zusammenbringt. Quantentheorien ermöglichen es, eine perfekte Authentizität und Vertraulichkeit für Informationen (ein Qubit) zu garantieren, wenn sie zwischen zwei Gesprächspartnern durch ein Lichtteilchen (ein Photon) in einer optischen Faser übertragen werden. Das Phänomen der Überlagerung lässt den Sender sofort wissen, ob das Photon, das die Nachricht übermittelt, abgefangen wurde.

Speichern des Signals

Allerdings gibt es ein großes Hindernis für die Entwicklung von Langstrecken-Quantentelekommunikationssystemen: Jenseits von einigen hundert Kilometern gehen die Photonen verloren und das Signal verschwindet. Da das Signal nicht kopiert oder verstärkt werden kann – es würde den Quantenzustand verlieren, der seine Vertraulichkeit garantiert – besteht die Herausforderung darin, einen Weg zu finden, es zu wiederholen, ohne es zu verändern, indem „Repeater“ geschaffen werden, die insbesondere auf einem Quantenspeicher basieren.

2015 gelang es dem Team um Mikael Afzelius, Dozent am Institut für Angewandte Physik an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Genf (UNIGE), ein von einem Photon getragenes Qubit für 0,5 Millisekunden in einem Kristall (a „Erinnerung“). Dieser Prozess ermöglichte es dem Photon, seinen Quantenzustand auf die Atome des Kristalls zu übertragen, bevor es verschwand. Das Phänomen hielt jedoch nicht lange genug an, um den Aufbau eines größeren Netzwerks von Erinnerungen zu ermöglichen, eine Voraussetzung für die Entwicklung der Quantentelekommunikation über große Entfernungen.

Speicheraufzeichnung

Heute ist es dem Team von Mikael Afzelius im Rahmen des European Quantum Flagship-Programms gelungen, diese Dauer deutlich zu verlängern, indem es ein Qubit für 20 Millisekunden speichert. „Das ist Weltrekord für einen Quantenspeicher auf Basis eines Festkörpersystems, in diesem Fall eines Kristalls. Wir haben es sogar geschafft, mit einem kleinen Verlust an Genauigkeit die 100-Millisekunden-Marke zu erreichen“, freut sich der Forscher. Wie in ihrer früheren Arbeit verwendeten die UNIGE-Wissenschaftler Kristalle, die mit bestimmten Metallen dotiert waren, die als „seltene Erden“ (in diesem Fall Europium) bezeichnet werden und Licht absorbieren und dann wieder emittieren können. Diese Kristalle wurden bei -273,15°C (absoluter Nullpunkt) gehalten, da jenseits von 10°C über dieser Temperatur die thermische Bewegung des Kristalls die Verschränkung der Atome zerstört.

„Wir haben ein kleines Magnetfeld von einem Tausendstel Tesla an den Kristall angelegt und dynamische Entkopplungsmethoden verwendet, die darin bestehen, intensive Radiofrequenzen an den Kristall zu senden. Der Effekt dieser Techniken besteht darin, die Ionen der Seltenen Erden von Störungen des Kristalls zu entkoppeln Umgebung und steigern die bisher bekannte Speicherleistung fast um den Faktor 40″, erklärt Antonio Ortu, Postdoktorand in der Abteilung für Angewandte Physik der UNIGE. Die Ergebnisse dieser Forschung stellen einen großen Fortschritt für die Entwicklung von Langstrecken-Quantentelekommunikationsnetzen dar. Sie bringen auch die Speicherung eines von einem Photon getragenen Quantenzustands auf eine Zeitskala, die von Menschen geschätzt werden kann.

Ein effizientes System in 10 Jahren

Allerdings sind noch einige Herausforderungen zu meistern. „Die Herausforderung besteht nun darin, die Speicherzeit weiter zu verlängern. Theoretisch würde es ausreichen, die Dauer der Bestrahlung des Kristalls mit Radiofrequenzen zu erhöhen, aber technische Hindernisse verhindern vorerst eine Umsetzung über einen längeren Zeitraum uns davon ab, über 100 Millisekunden hinauszugehen. Sicher ist jedoch, dass diese technischen Schwierigkeiten behoben werden können“, sagt Mikael Afzelius.

Die Wissenschaftler müssen auch Wege finden, Speicher zu entwerfen, die in der Lage sind, mehr als ein einzelnes Photon gleichzeitig zu speichern, und somit „verschränkte“ Photonen zu haben, die die Vertraulichkeit garantieren. „Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das in all diesen Punkten gut abschneidet und innerhalb von zehn Jahren vermarktet werden kann“, schließt der Forscher.