Baustein für Quanten-Kommunikation
Neuer Frequenz-Konverter für Quantenteilchen soll Lücke im Kommunikationsprotokoll schließen.
Forscher der Universität des Saarlandes um Giovanna Morigi haben einen neuen Baustein für die Quantenkommunikation entwickelt. Gemeinsam mit Wissenschaftlern um Michael Fleischhauer an der TU Kaiserslautern schlagen sie ein Verfahren vor, das einen Frequenzkonverter für einzelne Photonen verwirklicht: Dieser überträgt die Information einzelner Lichtteilchen effizient zwischen Telekom-Glasfaserkabeln und supraleitenden Quantenbits im Mikrowellen-Frequenzbereich und schließt so eine bestehende Lücke in der Quantenkommunikation.
Abb.: Kohärente und reversible Umwandlung von Photonen zwischen Telekom-Wellenlängen und supraleitenden Quantenbits ist möglich mit Selten-Erd-dotierten Kristallen, gekoppelt an einen supraleitenden Hohlraum. (Bild: C. O’Brien et al.)
Bereits heute lassen sich mithilfe von Glasfaserkabeln Informationen mit Lichtgeschwindigkeit verschicken. Diese schnelle und robuste Informationsübertragung durch Licht will man in der Quantenwelt erreichen, um sichere Telekommunikation zu gewährleisten. Eine vielversprechende Speichereinheit für die Verarbeitung der Quanteninformation ist das sogenannte supraleitende Quantenbit. Qubits arbeiten nicht in der Lichtfrequenz der Glasfaserkabel, sondern im Frequenzbereich von Mikrowellen. Diese Wellenlängen sind für die Übertragung über weite Strecken jedoch ungeeignet, da sie leicht absorbiert werden, wodurch Information verloren geht.
Die Lücke zwischen der Informationsübertragung per Lichtsignalen und dem Auslesen und Weiterverarbeiten von Daten in Mikrowellen-Frequenzen haben nun Physiker der Universität des Saarlandes geschlossen: Giovanna Morigi, die auf dem Gebiet der theoretischen Quantenphysik forscht, und ihre Doktorandin Susanne Blum haben gemeinsam mit Forscherkollegen der TU Kaiserslautern ein Verfahren entwickelt, mit dem man die Frequenz eines einzelnen Telekom-Photons in die Wellenlänge von Quanten-Bits übertragen kann.
Das soll durch die Kopplung an einen Kristall geschehen, in den Metallionen seltener Erden eingebracht wurden. Der Kristall agiert als Quanten-Konverter: Er absorbiert ein Telekom-Photon und emittiert ein Mikrowellen-Photon – und umgekehrt, indem seine Kopplung an das Telekomlicht und an das supraleitende Qubit durch maßgeschneiderte Quantendynamik verlustfrei ein- und ausgeschaltet wird.
„Das Ausnutzen der Quanten-Interferenz, einer Eigenschaft der Quantendynamik, ist der springende Punkt, der es erlaubt, den Quanten-Konverter zu realisieren“, erklärt Susanne Blum, die in ihrer Doktorarbeit an dem Thema forscht. „In unserem Protokoll wird die Quanten-Interferenz benutzt, um die Verlustprozesse auf dem Niveau einzelner Photonen gezielt zu unterdrücken“, so die Nachwuchsforscherin.
„Die Realisierung eines Konverters für einzelne Photonen ist in der gegenwärtigen experimentellen Forschung weltweit sehr wichtig, vor allem in den USA und Kanada“, betont Giovanna Morigi. Auch an der Saar-Universität forschen Wissenschaftler in den Laboren von Pavel Bushev, Christoph Becher und Jürgen Eschner daran. „Anstelle von mit seltenen Erden dotierten Kristallen können auch andere Quanten-Systeme benutzt werden. Allerdings bieten die von uns genutzten Kristalle ausgezeichnete Kontrollmöglichkeiten auf dem Niveau einzelner Photonen“, erklärt Morigi. Dieses theoretische Verfahren könne eine bestehende Lücke in dem Bau von Quantennetzwerken schließen.
UdS / DE
