Durchbruch für die Quantenkommunikation über große Entfernungen
Die Quantentechnologie bietet unterschiedliche Ansätze für Experimente und Innovationen. Das EU-finanzierte Projekt ErBeStA verbindet konzeptionelles und technologisches Fachwissen und entwickelt innovative Komponenten für die optische Quantentechnologie, um das Potenzial von verschränkten Lichtteilchenpaaren für die Quantenkommunikation zu erweitern. Übergeordnetes Ziel von ErBeStA war es, einen entscheidenden Beitrag zur Verwirklichung der großen Vision eines „Quanteninternets“ zu leisten. Eine Schlüsselkomponente für die Umsetzung universeller optischer Quantencomputer sowie für die Konstruktion effizienter Quantenrepeater, die eine Voraussetzung für die Quantenkommunikation über große Entfernungen sind, ist ein fehlersicherer optischer Bell-Zustandsanalysator. Die Entwicklung eines solchen Geräts, das den Zustand eines Photonenpaars in einem verschränkten Zustand messen kann, war schon immer eine zentrale Herausforderung für die Quantenwissenschaft. Dazu ist insbesondere die optische Nichtlinearität auf der Ebene der Einzelphotonen erforderlich, die durch die starke Kopplung des Lichts an einzelne Einzelphotonenemitter erreicht wird. Im Rahmen von ErBeStA wurden drei verschiedene Systeme von Einzelphotonen-Emittern verwendet: kalte Atome, Rydberg-Superatome und Festkörper-Quantenemitter. Um eine starke Kopplung an Lichtfelder zu erreichen, wurde Nanophotonik eingesetzt.
Die Grenzen der Nanophotonik überschreiten
„Im Laufe des Projekts haben wir eine Reihe wichtiger Ergebnisse auf dem Gebiet der Quantennetzwerke und fortschrittlicher optischer Schaltkreise erzielt“, erklärt Projektkoordinator Arno Rauschenbeutel von der Humboldt-Universität zu Berlin. ErBeStA ermöglichte die Entwicklung neuartiger und verbesserter Arten von Quantenlichtquellen, neuartiger nicht-reziproker optischer Elemente (also Elemente, die Licht unterschiedlich behandeln, wenn es sich vorwärts oder rückwärts ausbreitet), neuartiger Photodetektoren mit Auflösung der Photonenzahl und neuartiger Einzelphotonenstrahler. All diese Fortschritte sind für die (quanten-)optische Technologie von entscheidender Bedeutung. Auf dem Gebiet der Nanophotonik wurden mehrere Technologien zur Herstellung von Wellenleitern in Nanogröße für verbesserte Licht-Materie-Wechselwirkungen entwickelt. Diese sind nicht nur von rein wissenschaftlichem Interesse, sondern auch eine entscheidende Komponente für diverse neuartige und innovative Anwendungen, wie beispielsweise Quantensensoren oder optische Schalter, die mit einem einzigen Atom betrieben werden. „Wir sind der Überzeugung, dass diese Strukturen in Zukunft neue Möglichkeiten in der Quantenwissenschaft und -technologie eröffnen werden“, fügt Rauschenbeutel hinzu.
Bahnbrechende und wegweisende Lösungen in der Quantentechnologie
Um das Feld der kompakten Quantentechnologien voranzubringen, wurden 3D-gedruckte Spektroskopie- und Laserlichtverteilungssysteme sowie die weltweit erste 3D-gedruckte Vakuumkammer entwickelt und umgesetzt. „Diese gedruckten Systeme könnten eine Lösung für den erwarteten breiten Einsatz und die große Wirkung von Quantentechnologien für Sensoranwendungen sein. Außerdem versprechen sie einen klaren Weg zur Miniaturisierung und erweiterten Funktionalität“, so Rauschenbeutel. Auf konzeptioneller Ebene hat ErBeStA viele neue Entdeckungen für zukünftige Technologien und neue Forschungsrichtungen erzielt. Durch die theoretische Untersuchung von an einen Wellenleiter gekoppelten atomaren Emittern haben die Forschenden das Potenzial von integrierten Emitter-Wellenleiter-Systemen für die Erforschung kollektiver Quantenphänomene und die Erzeugung gequetschter Zustände für die quantengestützte Metrologie nachgewiesen. Auch die Lichtausbreitung und Nichtlinearitäten in Rydberg-Superatomen wurden untersucht. Hier konnten sie demonstrieren, wie letztere zur Durchführung von Sortiervorgängen für Photonen verwendet werden können (d. h. zur Trennung von Lichtimpulsen, bei denen zwei Photonen enthalten sind, von solchen, die ein einzelnes Photon enthalten) und wie dies einen Bell-Zustandsanalysator ohne nicht-reziproke Elemente ermöglichen wird. Des Weiteren hat das Team einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem zweidimensionale atomare Anordnungen (sogenannte „Quantenspiegel“) zum Einsatz kommen, um eine deterministische Photonensortierung und Bell-Zustandsanalyse zu erreichen. Die konzipierten Verfahren stellen gegenwärtig die einzigen deterministischen Methoden dar, die im passiven Betrieb, also ohne vorherige Kenntnis der Ankunftszeit der Photonen, angewendet werden können.
Schlüsselbegriffe
ErBeStA, Bell-Zustandsanalyse, Quantenemitter, Langstrecken-Quantenkommunikation, Nanophotonik, Quantentechnologie
