Nützliche Eigenschaften: Ytterbium-Kristalle könnten wertvolle Helfer in künftigen Quanten-Netzwerken werden. Denn das Seltenerd-Metall kann Quanteninformationen von Photonen aufnehmen und speichern, ohne dass das sensible Quantensignal zerstört wird, wie nun en Experiment belegt. Durch die Kombination von schneller Reaktion und langer Kohärenzzeit könnte Ytterbium unter anderem als Quantenspeicher, aber auch als Verstärker im Quantennetz verwendet werden, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Materials“ berichten.
Die Quantenkommunikation gilt als die Übertagungsmethode der Zukunft. Denn dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Verschränkung und Überlagerung sind diese Lichtsignale extrem schnell und nahezu „unknackbar“. Schon jetzt haben Forscher Nachrichten auf Basis verschränkter Photonen durch städtische Glasfasernetzte, durch die Luft und sogar aus dem Orbit auf die Erde gesendet.
Verstärken ohne kopieren
Das Problem jedoch: Das Quantensignal kann nicht einfach kopiert werden, ohne die Integrität der Daten zu zerstören – das macht diese Kommunikation so sicher. Gleichzeitig aber bedeutet dies, dass das Signal auch nicht mit herkömmlichen Methoden verstärkt werden kann. Eine Weiterleitung über extrem große Strecken hinweg ist damit in der Glasfaser nicht möglich.
„Die Schwierigkeit besteht darin, ein Material zu finden, dass die Quanteninformation so lange von Störeinflüssen der Umweltisoliert, dass die Photonen eingefangen und synchronisiert werden können“, erklärt Studienleiter Mikael Afzelius von der Universität Genf. Gleichzeitig muss dieses Material jedoch schnell genug reagieren können, um die Spinmerkmale der Photonen zu übernehmen.
Ytterbium-Kristall im Magnetfeld
„Auf der Suche nach einem solchen Material haben wir ein Seltenerd-Metall aus dem Periodensystem herausgepickt, dem in diesem Zusammenhang bisher kaum Aufmerksamkeit gewidmet wurde: Ytterbium“, berichten die Forscher. Für ihre Versuche nutzen sie einen hochreinen Kristall aus Ytterbium und Siliziumdioxid (Yb3+:Y2SiO5) und setzten ihn einem externen Magnetfeld aus.
„Dabei haben wir einen ‚magischen Punkt‘ gefunden, indem wir die Amplitude und Richtung des Magnetfelds variierten“, berichten Afzelius und seine Kollegen. „Wenn dieser Punkt erreicht ist, verlängern sich die Kohärenzzeiten der Ytterbium-Atome um das Tausendfache, obwohl das Ganze bei hohen Frequenzen stattfindet.“ Bei Photonen des sichtbaren Lichts blieben die Ytterbium-Atome bis zu 100 Mikrosekunden synchron, für Mikrowellen-Photonen bis zu einer Millisekunde, so die Forscher.
Eignung als Quantenspeicher und Verstärker
„Damit eröffnet dieses Material uns ganz neue Möglichkeiten in der Quantenkommunikation“, sagt Afzelius. „Unsere Ergebnisse unterreichen das Potenzial dieser Ytterbium-Kristalle für Quanten-Anwendungen., die sowohl auf optischer wie auf Spinmanipulation beruhen.“
Mögliche Anwendungen wären unter anderem Reichweitenverstärker in Quantennetzwerken oder Übersetzer-Einheiten, die optische Quantensignale in Mikrowellen-Qubits umwandeln und umgekehrt. Aber auch neue Quantenspeicher könnten mit auf Basis dieses Materials entwickelt werden. (Nature Materials, 2018; doi: 10.1038/s41563-018-0138-x)
(Universität Genf, 24.07.2018 – NPO)
