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On-Chip-Lichtquellen und Qudits: Das neue Gesicht des Quantencomputings?

Die Steuerung und Nutzung der Eigenschaften von klassischem und nicht klassischem Licht ist der Schlüssel für die Entwicklung hochpräziser Anwendungen in den Bereichen Metrologie und angewandte Informatik. Ein EU-finanziertes Projekt hat hochentwickelte Lasersysteme und flexible On-Chip-Lichtquellen entwickelt und damit einen Schritt in diese Richtung gemacht.

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Kleine, praktische und hocheffiziente photonische On-Chip-Systeme sind in klassischen und Quantensystemen sowohl für die Erzeugung als auch für die Steuerung optischer Pulse von zentraler Bedeutung – ein Kernthema des EU-finanzierten Projekts DC FlexMIL. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt. „Wir haben daran gearbeitet, eine neue Klasse integrierter gepulster Lichtquellen in klassischen ebenso wie in nicht klassischen Systemen mit stabilen und flexiblen Emissionseigenschaften zu ermöglichen“, merkt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Michael Kues an, der vor Kurzem zum Professor an der Leibniz Universität Hannover ernannt wurde. Dazu verwendeten die Forscher optische Mikroresonatoren. Resonanzfrequenzen erzeugen konstruktive Interferenzen innerhalb eines Ringwellenleiters und ermöglichen den Zugriff auf viele diskrete Farben. Die Forscher nutzten das nichtlineare Phänomen der Vier-Wellen-Mischung in diesen Mikroringresonatoren, um steuerbare Lichtquellen mit neuen und einzigartigen Eigenschaften zu erhalten. Messung der optischen Bandbreite gepulster Laser Das Projektteam entwickelte erfolgreich einen miniaturisierten aber dennoch effizienten Laser mit einem Mikroringresonator als Hohlraum. Dies ist der erste gepulste und mithilfe des Kerr-Effekts passiv modengekoppelte Nanosekundenlaser mit einer rekordniedrigen und transform-limitierten spektralen Breite von 105 MHz sowie einem Modenkopplungsmechanismus für die Vier-Wellen-Mischung. „Unsere neue Laser-Architektur profitierte von den jüngsten Fortschritten in der nichtlinearen Mikrohohlraumoptik, insbesondere dem Schmalbandfilter des hochwertigen integrierten Mikroringresonators, der neben hohen nichtlinearen Phasenverschiebungen die Erzeugung von Nanosekundenpulsen durch Modenkopplung ermöglicht“, erklärt Kues. Die spektrale Bandbreite der erzeugten gepulsten Laserleistung war so schmal, dass sie selbst mit modernen optischen Spektrumanalysatoren nicht erfasst werden konnte. Um die Bandbreite des Lasers darzustellen, verwendeten die Forscher stattdessen eine kohärente optische Schlagtechnik. Die rekordniedrige Laserbandbreite ermöglichte erstmals die Messung der vollständigen spektralen Eigenschaften eines modengekoppelten Lasers im Hochfrequenzbereich (HF) unter Verwendung weit verbreiteter HF-Elektronik. Auf diese Weise konnte die starke zeitliche Kohärenz des Lasers bestätigt werden. Passiv modengekoppelte Lasersysteme sind die optimale Wahl für die Erzeugung rauscharmer optischer Pulsfolgen. Mit solchen Systemen können stabile optische Frequenzreferenzen für die Metrologie (z. B. optische Uhren) sowie Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit hoher Intensität erreicht werden. Quantencomputing – Wenn weniger mehr ist Bisher stützten sich die meisten Versuche, praktische Quantencomputer zu bauen, auf Qubits, die im Gegensatz zu klassischen Bits gleichzeitig zwei Werte (0 und 1) enthalten können. Anstatt die Anzahl der Qubits zu erhöhen, um die Verarbeitungskapazitäten zu erhalten, die für eine aussagekräftige Quanteninformationswissenschaft erforderlich sind, wäre es einfacher, eine kleinere Anzahl von Qudits beizubehalten, die jeweils einen größeren Wertebereich abdecken. „Wir haben zum ersten Mal auf einem integrierten Chip zwei verschränkte Qudits mit jeweils zehn Ebenen für insgesamt 100 Dimensionen erzeugt. Das ist mehr als mit sechs verschränkten Qubits möglich gewesen wäre“, merkt Kues an. Das Team verwendete On-Chip-Geräte und standardmäßige Telekommunikationskomponenten zur Erzeugung und Manipulation der Quantenzustände. Mit einer Frequenz-Zeit-Darstellung wandelte das Projektteam diese stark verschränkten Quantenzustände in hochdimensionale Clusterzustände um. „Diese neuartigen Quantensysteme sind optimale Werkzeuge zur Durchführung von Quantenberechnungen“, so Kues abschließend.

Schlüsselbegriffe

DC FlexMIL, Qudit, On-Chip, Mikroringresonator, Qubit, Quantencomputer, Quantencomputing, Hochfrequenz (HF), Metrologie, modengekoppelter Laser, Vier-Wellen-Mischung

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