Erster programmierbarer optischer Quantenspeicher entwickelt

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Meyer-Scott et al.: Scalable Generation of Multiphoton Entangled States by Active Feed-Forward and Multiplexing, Phys. Rev. Lett. 129, 150501 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.150501
• Integrierte Quantenoptik (C. Silberhorn), Institut für photonische Quantensysteme, Universität Paderborn
• Center for Integrated Quantum Science and Technology, Universitäten Ulm & Stuttgart