Da Computer enorm von einer Internetverbindung profitieren, stellt sich die Frage: Was nützt ein Quantencomputer ohne Quanteninternet?
Das Geheimnis unseres modernen Internets liegt in der Fähigkeit, Daten auch bei der Übertragung über weite Distanzen intakt zu halten. Und der beste Weg, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Photonen.
Photonen sind einzelne Einheiten („Quanten“) von Licht. Im Gegensatz zu anderen Quantenteilchen interagieren Photonen nur sehr schwach mit ihrer Umgebung. Diese Stabilität macht sie auch äußerst interessant für die Übertragung von Quanteninformationen über weite Entfernungen, ein Prozess, der die Aufrechterhaltung eines empfindlichen Verschränkungszustands über einen längeren Zeitraum erfordert. Solche Photonen können auf verschiedene Weise erzeugt werden.
Eine mögliche Methode besteht darin, Unvollkommenheiten im atomaren Maßstab (Quantendefekte) in Kristallen auszunutzen, um einzelne Photonen in einem wohldefinierten Quantenzustand zu erzeugen.
Jahrzehntelange Optimierungen haben zu Glasfaserkabeln geführt, die Photonen mit extrem geringen Verlusten übertragen können. Diese verlustarme Übertragung funktioniert jedoch nur für Licht in einem engen Wellenlängenbereich, dem sogenannten „Telekom-Wellenlängenband“.
Die Identifizierung von Quantendefekten, die Photonen bei diesen Wellenlängen erzeugen, hat sich als schwierig erwiesen. Forscher am UC Santa Barbara College of Engineering führten Untersuchungen durch, um herauszufinden, warum das so ist, und beschreiben ihre Ergebnisse in „Rationales Design effizienter defektbasierter Quantenemitter,“ erschienen in der Zeitschrift APL Photonik.
„Atome vibrieren ständig, und diese Vibrationen können einem Lichtemitter Energie entziehen“, sagt Chris Van de Walle, Materialprofessor an der UCSB. „Anstatt ein Photon auszusenden, könnte ein Defekt daher die Atome zum Vibrieren bringen, was die Lichtemissionseffizienz verringert.“
Van de Walles Gruppe entwickelte theoretische Modelle, um die Rolle atomarer Schwingungen im Photonenemissionsprozess zu erfassen und untersuchte die Bedeutung verschiedener Defekteigenschaften für die Bestimmung des Wirkungsgrades.
Ihre Arbeit erklärt, warum die Effizienz der Einzelphotonenemission drastisch abnimmt, wenn die Emissionswellenlänge über die Wellenlängen des sichtbaren Lichts (violett bis rot) hinaus bis zu den Infrarotwellenlängen im Telekommunikationsband ansteigt. Das Modell ermöglicht es den Forschern auch, Techniken für die Entwicklung hellerer und effizienterer Emitter zu entwickeln.
„Die sorgfältige Auswahl des Wirtsmaterials und die Untersuchung der Schwingungseigenschaften auf atomarer Ebene sind zwei vielversprechende Möglichkeiten, die geringe Effizienz zu überwinden“, sagte Mark Turiansky, Postdoktorand im Van de Walle-Labor, Fellow an der NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry und leitender Forscher des Projekts.
Eine andere Lösung beinhaltet die Kopplung an eine photonische Kavität, ein Ansatz, der von der Expertise zweier weiterer Quantum Foundry-Mitglieder profitierte: dem Computertechnik-Professor Galan Moody und Kamyar Parto, einem Doktoranden im Moody-Labor.
Das Team hofft, dass sich sein Modell und die daraus gewonnenen Erkenntnisse bei der Entwicklung neuartiger Quantenemitter als nützlich erweisen werden, die die Quantennetzwerke der Zukunft antreiben werden.
Mehr Informationen:
Mark E. Turiansky et al, Rationales Design effizienter defektbasierter Quantenemitter, APL Photonics (2024). DOI: 10.1063/5.0203366