12.10.2022 • Quantenoptik / Photonik

Erster programmierbarer optischer Quantenspeicher entwickelt

Meilenstein auf dem Weg zu nützlichen Quantentechnologien erreicht.

Verschränkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen zeigen bedeutende Vorteile bei der Realisierung von Quantenalgorithmen, die perspektivisch in der Kommunikation, Datensicherheit oder beim Quantencomputing eingesetzt werden könnten. Forscher der Uni Paderborn haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der Uni Ulm einen ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher entwickelt.

Abb.: Schematischer Aufbau des Experiments: Links im Bild (grünes... — Abb.: Schematischer Aufbau des Experiments: Links im Bild (grünes Dreieck) befindet sich eine Quanten-Lichtquelle, die so lange gepumpt wird, bis sie zwei verschränkte Photonen erzeugt. Rechts der rein optische Polarisations-Quantenspeicher (rechtes Quadrat), der durch ein Vorwärtssignal (durch das schwarze Kabel) dynamisch programmiert werden kann. (Bild: C. Silberhorn et al., U. Paderborn / U. Ulm)

Die Forscher verwenden Photonen als Quantensysteme. Bisher konnten mehr als zwei Teilchen nur sehr ineffizient miteinander verschränkt werden. Wollten Forscher zwei Teilchen mit weiteren koppeln, mussten sie teilweise lange warten, denn die Verschaltung, die diese Verschränkungen erzeugen können, funktionieren nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, das heißt, nicht per Knopfdruck. Das führte dazu, dass die Photonen schon nicht mehr im Experiment waren, wenn die nächsten passenden Teilchen ankamen – denn das Speichern von den Qubit-Zuständen stellt eine große experimentelle Herausforderung dar.

„Wir haben jetzt einen programmierbaren optischen Quantenkurzzeitspeicher entwickelt, der dynamisch zwischen den verschiedenen Modi – dem Speichermodus, dem Interferenzmodus und der abschließenden Freigabe – hin- und herschalten kann“, so Christine Silberhorn von der Uni Paderborn. Ein kleiner Quantenzustand kann in dem Versuchsaufbau so lange gespeichert werden, bis ein nächster Zustand erzeugt wird und beide dann miteinander verschränkt werden können.

Dadurch wächst Teilchen für Teilchen ein großer verschränkter Quanten-Zustand. Das Team um Silberhorn hat auf diese Weise bereits sechs Teilchen miteinander verschränkt und ist dabei viel effizienter als alle bisherigen Experimente. Zum Vergleich: Die größte Verschränkung von Photonenpaaren, durchgeführt von Forschern in China, besteht aus zwölf einzelnen Teilchen. Allerdings benötigte das Herstellen dieses Zustandes um mehrere Größenordnungen mehr Zeit.

„Mit unserem System können wir Schritt für Schritt immer größere verschränkte Zustände aufbauen – das ist viel zuverlässiger, schneller und effizienter als mit allen bisherigen Methoden“, so Silberhorn. „Für uns ist das ein Meilenstein, mit dem die praktische Anwendung von großen verschränkten Zuständen für nützliche Quantentechnologien in greifbare Nähe rückt.“ Der neue Ansatz ist mit allen gängigen Quellen zur Photonenpaar-Erzeugung kombinierbar. So können auch andere Wissenschaftler die Methodik anwenden.

U. Paderborn / RK