Leistungssteigerung bei faserintegrierten Quantenspeichern

Quantenspeicher sind einer der Bausteine ​​des zukünftigen Quanteninternets. Ohne sie wäre es kaum möglich, Quanteninformationen über große Entfernungen zu übertragen und zu einem echten Quantennetzwerk auszubauen. Diese Speicher haben die Aufgabe, die in einem Photon verschlüsselte Quanteninformation in Form von Qubits zu empfangen, zu speichern und wieder abzurufen. Quantenspeicher lassen sich in unterschiedlichen Materialsystemen realisieren, beispielsweise Ensembles aus kalten Atomen oder dotierten Kristallen.

Um nützliche Speicher zu sein, müssen sie mehrere Anforderungen erfüllen, wie z. B. Effizienz, Dauer und Multiplexing ihrer Speicherfähigkeit, um die Qualität der Quantenkommunikation sicherzustellen, die sie unterstützen werden. Eine weitere Anforderung, die zu einem erheblichen Forschungsgegenstand geworden ist, ist der Entwurf von Quantenspeichern, die direkt in das Glasfasernetz integriert werden können.

In den letzten Jahren und mit dem Boom der Quantentechnologien wurde viel daran gearbeitet, die Skalierbarkeit bestehender Quantenspeicher zu verbessern (sie kleiner und/oder einfacher zu machen), um ihre Integration und Bereitstellung in einem realen Arbeitsnetzwerk zu erleichtern. Ein solcher vollständig integrierter Ansatz ist mit mehreren physikalischen und technischen Hürden verbunden, darunter das Finden einer Lösung, die gute Kohärenzeigenschaften bewahrt, ein effizientes und stabiles System zum Übertragen von Photonen von optischen Fasern zum Quantenspeicher bereitstellt sowie die Miniaturisierung des Steuersystems von der Quantenspeicher und seine Schnittstelle mit einfallendem Licht. All dies sollte durchgeführt werden, während das gleiche Leistungsniveau erreicht wird, das in „Standard“-Bulk-Versionen des Geräts erreicht wird. Dies hat sich bisher als schwierig erwiesen, und aktuelle Realisierungen von faserintegrierten Quantenspeichern sind weit von dem entfernt, was in Massenspeichern erreicht werden kann.

Mit diesen klaren Zielen wurde in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit in Wissenschaftliche Fortschrittehaben die ICFO-Forscher Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri und Samuele Grandi unter der Leitung von ICREA Prof. am ICFO Hugues de Riedmatten in Zusammenarbeit mit Giacomo Corrielli und Roberto Osellame vom IFN-CNR und Margherita Mazzera von der Heriot-Watt University konnten die Verschränkung zwischen einem faserintegrierten Quantenspeicher und einem Photon mit Telekommunikationswellenlänge nachweisen.

Ein besonderer Quantenspeicher

In ihrem Experiment nutzte das Team einen mit Praseodym dotierten Kristall als Quantenspeicher. Dann wurde ein Wellenleiter in den Speicher lasergeschrieben. Dies ist ein mikrometergroßer Kanal innerhalb des Kristalls, der das Photon auf engstem Raum einschließt und leitet. Zwei identische optische Fasern wurden dann an beiden Seiten des Kristalls angebracht, um eine direkte Schnittstelle zwischen Photonen, die Quanteninformationen tragen, und dem Speicher bereitzustellen. Dieser Versuchsaufbau ermöglichte eine reine Faserverbindung zwischen dem Quantenspeicher und einer Photonenquelle.

Um zu beweisen, dass dieser integrierte Quantenspeicher Verschränkung speichern kann, verwendete das Team eine Quelle verschränkter Photonenpaare, bei der ein Photon mit dem Speicher kompatibel ist, während das andere auf der Wellenlänge der Telekommunikation liegt. Mit diesem neuartigen Aufbau waren sie in der Lage, Photonen von 2 µs bis zu 28 µs zu speichern und die Verschränkung der Photonenpaare nach der Speicherung zu bewahren. Das erzielte Ergebnis ist eine wesentliche Verbesserung, da die vom Team gezeigte Verschränkungsspeicherzeit 1.000-mal länger (drei Größenordnungen) ist als bei jedem anderen bisher verwendeten faserintegrierten Gerät, was sich der Leistung annähert, die in Massenquantenspeichern beobachtet wird.

Dies war dank der vollständig integrierten Natur des Geräts möglich, die die Verwendung eines ausgeklügelteren Steuerungssystems als frühere Realisierungen ermöglichte. Da die Verschränkung zwischen einem sichtbaren Photon, das im Quantenspeicher gespeichert ist, und einem bei Telekommunikationswellenlängen geteilt wurde, bewies das Team schließlich auch, dass das System vollständig mit der Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel und für die Quantenkommunikation über große Entfernungen geeignet ist.

Die Demonstration eines solchen integrierten Quantenspeichers eröffnet viele neue Möglichkeiten, insbesondere hinsichtlich Multiplexing, Skalierbarkeit und weiterer Integration. Wie Jelena Rakonjac betont, „hat uns dieses Experiment große Hoffnungen in dem Sinne geweckt, dass wir uns vorstellen, dass viele Wellenleiter in einem Kristall hergestellt werden können, was es ermöglichen würde, viele Photonen gleichzeitig in einem kleinen Bereich zu speichern und die Leistungsmerkmale des zu maximieren Quantenspeicher. Da das Gerät bereits fasergekoppelt ist, kann es auch leichter mit anderen faserbasierten Komponenten verbunden werden.“

Hugues de Riedmatten schließt mit der Feststellung, dass „wir von diesem Ergebnis begeistert sind, das viele Möglichkeiten für faserintegrierte Speicher eröffnet. Klar ist, dass dieses besondere Material und die Art der Herstellung von Wellenleitern es uns ermöglichen, Leistungen zu erzielen, die denen von Massenspeichern nahe kommen.“ Die Erweiterung der Speicherung auf Spinzustände wird ein Abrufen der gespeicherten Photonen bei Bedarf ermöglichen und zu den langen Speicherzeiten führen, die wir angestrebt haben. Dieser faserintegrierte Quantenspeicher ist definitiv vielversprechend für den zukünftigen Einsatz in Quantennetzwerken.“