Mithilfe von Lasern können Forscher den Spin eines Kerns direkt steuern, der Quanteninformationen kodieren kann

Grundsätzlich könnten quantenbasierte Geräte wie Computer und Sensoren herkömmliche digitale Technologien bei der Durchführung vieler komplexer Aufgaben bei weitem übertreffen. Aber die Entwicklung solcher Geräte in der Praxis war trotz großer Investitionen von Technologieunternehmen sowie akademischen und staatlichen Labors ein herausforderndes Problem.

Die größten Quantencomputer von heute haben immer noch nur wenige hundert „Qubits“, die Quantenäquivalente digitaler Bits.

Jetzt haben Forscher am MIT einen neuen Ansatz zur Herstellung von Qubits und deren Steuerung zum Lesen und Schreiben von Daten vorgeschlagen. Die an dieser Stelle noch theoretische Methode basiert auf der Messung und Kontrolle der Spins von Atomkernen mit Lichtstrahlen zweier leicht unterschiedlicher Laserfarben. Die Ergebnisse werden in einem Artikel beschrieben, der am Dienstag, den 14. Februar, in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung Xgeschrieben vom MIT-Doktoranden Haowei Xu, den Professoren Ju Li und Paola Cappellaro und vier anderen.

Kernspins sind seit langem als mögliche Bausteine ​​für quantenbasierte Informationsverarbeitungs- und Kommunikationssysteme anerkannt, ebenso wie Photonen, die Elementarteilchen, die diskrete Pakete oder „Quanten“ elektromagnetischer Strahlung sind. Die Zusammenarbeit dieser beiden Quantenobjekte war jedoch schwierig, da Atomkerne und Photonen kaum interagieren und ihre Eigenfrequenzen sich um sechs bis neun Größenordnungen unterscheiden.

In dem neuen vom MIT-Team entwickelten Verfahren stimmt die Frequenzdifferenz eines einfallenden Laserstrahls mit den Übergangsfrequenzen des Kernspins überein, wodurch der Kernspin in eine bestimmte Richtung gedreht wird.

„Wir haben einen neuartigen, leistungsstarken Weg gefunden, um Kernspins mit optischen Photonen von Lasern zu verbinden“, sagt Cappellaro, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik. „Dieser neuartige Kopplungsmechanismus ermöglicht ihre Kontrolle und Messung, was die Verwendung von Kernspins als Qubits nun zu einem viel vielversprechenderen Unterfangen macht.“

Der Prozess ist vollständig abstimmbar, sagen die Forscher. Beispielsweise könnte einer der Laser auf die Frequenzen bestehender Telekommunikationssysteme abgestimmt werden, wodurch die Kernspins in Quantenrepeater verwandelt werden, um eine Quantenkommunikation über große Entfernungen zu ermöglichen.

Frühere Versuche, Licht zur Beeinflussung von Kernspins zu verwenden, waren indirekt und koppelten stattdessen an Elektronenspins, die diesen Kern umgeben, was wiederum den Kern durch magnetische Wechselwirkungen beeinflusste. Dies erfordert jedoch die Existenz von ungepaarten Elektronenspins in der Nähe und führt zu zusätzlichem Rauschen an den Kernspins. Für den neuen Ansatz machten sich die Forscher zunutze, dass viele Atomkerne einen elektrischen Quadrupol besitzen, was zu einer elektrischen nuklearen Quadrupol-Wechselwirkung mit der Umgebung führt. Diese Wechselwirkung kann durch Licht beeinflusst werden, um den Zustand des Kerns selbst zu ändern.

„Der Kernspin ist normalerweise ziemlich schwach wechselwirkend“, sagt Li. „Aber indem wir die Tatsache nutzen, dass einige Kerne einen elektrischen Quadrupol haben, können wir diesen nichtlinearen optischen Effekt zweiter Ordnung induzieren, der direkt an den Kernspin koppelt, ohne zwischengeschaltete Elektronenspins. Dadurch können wir den Kernspin direkt manipulieren.“

Dies kann unter anderem die genaue Identifizierung und sogar Kartierung von Isotopen von Materialien ermöglichen, während die Raman-Spektroskopie, eine etablierte Methode, die auf analoger Physik basiert, die Chemie und Struktur des Materials identifizieren kann, aber keine Isotope. Diese Fähigkeit könnte viele Anwendungen haben, sagen die Forscher.

Was den Quantenspeicher betrifft, haben typische Geräte, die derzeit für Quantencomputer verwendet oder in Betracht gezogen werden, Kohärenzzeiten – d. h. die Zeitspanne, in der gespeicherte Informationen zuverlässig intakt gehalten werden können –, die in der Regel in winzigen Bruchteilen einer Sekunde gemessen werden. Aber beim Kernspinsystem werden die Quantenkohärenzzeiten in Stunden gemessen.

Da optische Photonen für die Fernkommunikation über Glasfasernetze verwendet werden, könnte die Möglichkeit, diese Photonen direkt an Quantenspeicher oder Sensorgeräte zu koppeln, erhebliche Vorteile in neuen Kommunikationssystemen bieten, sagt das Team. Außerdem könnte der Effekt verwendet werden, um einen effizienten Weg zum Übersetzen eines Satzes von Wellenlängen in einen anderen bereitzustellen. „Wir denken darüber nach, Kernspins für die Übertragung von Mikrowellenphotonen und optischen Photonen zu verwenden“, sagt Xu und fügt hinzu, dass dies eine größere Genauigkeit für eine solche Übersetzung bieten kann als andere Methoden.

Bisher ist die Arbeit theoretisch, der nächste Schritt ist die Umsetzung des Konzepts in reale Laborgeräte, wahrscheinlich zuerst in ein spektroskopisches System. „Das könnte ein guter Kandidat für das Proof-of-Principle-Experiment sein“, sagt Xu. Danach werden sie sich mit Quantengeräten wie Gedächtnis- oder Transduktionseffekten befassen, sagt er.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.