Ionen seltener Erden könnten den Weg für Quantennetzwerke und -speicher bereiten

Wenn Licht mit Nanokristallen seltener Erden interagiert, bietet sich ein wichtiger Impuls für die laufende Suche nach Quantennetzwerken und Quantenkommunikation. Im Nanobereich können Qubits seltener Erden im Vergleich zu anderen lichtgesteuerten Festkörper-Qubits die Quanteninformationen länger zuverlässig erhalten.

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Quantentechnologien nutzen einige seltsame Aspekte der Quantenphysik für die Kodierung und Übertragung von Informationen. Das sind Quantenüberlagerung (wobei Partikel gleichzeitig in zwei verschiedenen Quantenzuständen (Qubits) existieren können) und Quantenverflechtung, wobei Partikel ihren Quantenzustand auf eine Art und Weise teilen, die in klassischen Systemen unmöglich ist. Qubits sind empfindliche Gebilde, die sorgfältig von äußeren Kräften isoliert werden müssen. Andernfalls wird die fragile Überlagerung dekohärieren und in einen herkömmlichen Rechenzustand übergehen – eine Eins oder eine Null. Atomsysteme wie zum Beispiel Elemente seltener Erden in Nanokristallen bieten eine Möglichkeit, Qubits mit sehr geringen Störniveaus zu generieren und erhalten deshalb die für Quantenanwendungen erforderliche Quantenkohärenz. „Ionen seltener Erden in Schüttgütern können die optische und Spin-Kohärenz lange Zeit beibehalten. Wir haben gezeigt, dass diese einzigartige Eigenschaft im Nanobereich weitgehend erhalten bleibt“, erklärt Philippe Goldner, Koordinator des EU-finanzierten Projekts NanOQTech. Um ihre Theorie zu testen, synthetisierten die Forscherinnen und Forscher mit Europium, Praseodymium und Erbium dotierte Kristalle unterschiedlicher Größe und maßen die Kohärenzzeiten ihrer optischen und Spin-Quantenzustände. Das Team berichtete, neben anderen Ergebnissen, von den längsten optischen Kohärenzzeiten, nämlich 3 µs und 6 µs, für mit Europium dotierte Kristalle der Größen 60 nm bzw. 100 nm.

Ionen seltener Erden sehen das Licht

Das Hauptziel von NanOQTech war es, hybride Quantengeräte im Nanobereich zu bauen, die effizient an Licht koppeln. „Dank der langen Kohärenzzeiten ihrer Quantenzustände können an Mikrokavitäten gekoppelte Qubits seltener Erden als Hybrid-Quantensysteme mit zahlreichen potenziellen Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft fungieren“, bemerkt Goldner. Für die Anwendung in Quantenumgebungen müssen Ionen seltener Erden und Mikrokavitäten bei sehr geringen (kryogenen) Temperaturen gehalten werden. Das Projektteam erzielte eine effiziente Kopplung zwischen einigen wenigen Ionen seltener Erden und einer faserbasierten Mikrokavität in Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf. Das Experiment der Forschungsgruppe von NanOQTech zeigte das Potenzial, optische Kommunikation mit einem einzelnen Ion seltener Erden im Innern einer faserbasierten Mikrokavität zu erreichen, ein Phänomen von beträchtlichem Interesse für die Quanteninformationsspeicherung. Obwohl es im Rahmen des Projekts nicht gelungen war, ein einzelnes Ion in der Kavität nachzuweisen, konnte erkundet werden, wie ein starker Purcell-Effekt (Purcell-Faktoren von bis zu 150) die optische Interaktion mit 10 Ionen seltener Erden verbesserte. Letztlich stellte das Forschungsteam Hybridsysteme her, die mit Ionen seltener Erden interagieren können, was es in die Lage versetzte, die übertragenen Quanteneigenschaften auszunutzen, um neue Funktionalitäten zu ermöglichen. „Ionen seltener Erden können eine Quantenschnittstelle zwischen Licht und anderen Systemen bilden, in unserem Fall handelt es sich um Graphenplasmonen und mechanische Oszillatoren“, stellt Goldner fest. Im Rahmen des Projekts wurden mit seltenen Erden dotierte Nanostrukturen als eine neue Plattform für optische Quantentechnologien etabliert. Die bei NanOQTech entwickelten Nanopartikel zeigten unübertroffene Kohärenzzeiten ihrer optischen und Spin-Quantenzustände. Die Projektarbeit ebnet den Weg zum Aufbau von Quantennetzwerken, die Informationen durch Festkörper-Qubits übertragen. Im Vergleich mit Festkörper-Qubits auf Basis atomähnlicher Defekte in Diamant oder Quantenpunkten leben Qubits seltener Erden länger, sind stabiler und haben ein großes Potenzial als skalierbare Quantensysteme.

Schlüsselbegriffe

NanOQTech, Ion seltener Erden, Kohärenz, Festkörper-Qubits, Quantennetzwerk, Spin-Quantenzustand, faserbasierte Mikrokavität, Quanteninformationsspeicher, Graphen, mechanische Resonatoren

Nanoscale Systems for Optical Quantum Technologies

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