Physiker entwickeln Quanten-Modem

Bautteil fürs Quanten-Internet: Physiker haben einen Übersetzer für Quanteninformationen entwickelt – eine Art Quanten-Modem. Dieser wandelt die für Quantencomputer typischen Mikrowellen-Qubits in gut übertragbare optische Photonen um. Zentraler Akteur dieses Quanten-Übersetzers sind ultrakalte Rubidium-Atome, die als Photonen-Wandler agieren und dabei die Verschränkung der Quanten aufrechterhalten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Fernverbindung von Quantencomputern, wie das Team in „Nature“ berichtet.

Quantencomputer und die Quanten-Kommunikation gelten als wichtige Technologien der Zukunft. Beides ist jedoch nur bedingt miteinander kompatibel: Die meisten Quantencomputer, beispielsweise von IBM und Google, nutzen supraleitende Transmon-Qubits, die ihre Information in Mikrowellen-Photonen speichern und übertragen. Für eine Fernübertragung von Quanteninformationen, beispielsweise über Glasfaser, Satellit oder Laser-Freiluft-Verbindung werden jedoch optische Photonen benötigt.

Warum eine Übersetzung nötig ist

Der Grund dafür: Strahlung in Mikrowellen-Frequenzen ist zwar für gängige Telekommunikation wie Mobilfunk, WLAN oder GPS allgegenwärtig, für die Übertragung fragiler, verschränkter Quanteninformation eignet sie sich aber nicht. „Bei Mikrowellen-Frequenzen geht die in einem Photon kodierte Information im thermischen Rauschen unter“, erklärt Erstautorin Aishwarya Kumar von der University of Chicago. Für eine effiziente Übertragung von Quanteninformationen sind daher optische Frequenzen besser geeignet, weil weniger störanfällig.

Das aber bedeutet: Man benötigt einen Übersetzer, der die vom Quantencomputer ausgegebenen Mikrowellen-Photonen unter Erhaltung ihrer Verschränkung in optische Transportphotonen umwandelt – ein Quanten-Modem. Bisherige „Übersetzer“ in Form nanostrukturierter Kristalle oder Resonatoren hatten allerdings eine geringe Effizienz und beschränkte Bandbreite.

Niob-Block als Transformator-Kammer

Kumar und ihr Team haben nun eine neue Art des Quanten-Modems entwickelt. Dieses besteht aus einer Kammer an der Kreuzung dreier Wellenleiter, die in einen Block aus supraleitendem Niob gebohrt wurden. Durch einen dieser Gänge werden ultrakalte Rubidiumatome mithilfe einer Laserfalle ins Zentrum des Quanten-Wandlers gebracht und dort fixiert. Diese Atome haben Energieabstände zwischen ihren verschiedenen Anregungszuständen, die genau der Energie von Mikrowellen-Photonen einerseits und optischen Photonen andererseits entsprechen.

„In ihrem Grundzustand koppeln diese Atome stark an optische Photonen und wenn sie auf Rydberg-Zustände angeregt werden, koppeln sie an Mikrowellen-Photonen“, erklären die Physiker. Der zweite Wellenleiter im Niob-Block dient als optische Kavität: Er trägt halbdurchlässige Spiegel an beiden Enden, die Mikrowellen im Millimeterbereich und optische Photonen reflektieren und so ihre Interaktion mit den Rubidium-Atomen verstärken. Durch diesen Wellenleiter treten auch die mit der Quanteninformation beladenen optischen Photonen wieder aus. Über den dritten Kanal wird die Millimeterwelle eingestrahlt, für die die Kammer als Resonator wirkt – es kommt zu Resonanzeffekten.

Von Mikrowelle zu optisch und zurück

Die Quanten-Übersetzung geschieht letztlich durch den Wechsel der Rubidiumatome zwischen den verschiedenen Energiezuständen und ihre Interaktion mit der Kammerumgebung. Dabei werden die Atome zunächst durch einen UV-Laser in den Rydbergzustand gebracht und können nun jeweils ein Mikrowellen-Photon mit Wellenlängen im Millimeterbereich mit der Quanteninformation absorbieren. Dabei geht die Verschränkung auf das Atom über, so dass die Quanteninformation erhalten bleibt.

Beim Abschalten des UV-Lasers und Einschalten eines blauen Lasers fällt das Rubidium-Atom in einen niedrigeren Energiezustand zurück und gibt dabei ein optisches Photon ab. Dieses trägt nun die Verschränkung des ursprünglichen Mikrowellen-Photons und damit die Quanten-Information. In ersten Tests erreichte diese Quanten-Umwandlung eine Konversionseffizienz von 58 Prozent bei einem thermischen Rauschen von 0,6 Photonen, wie Kumar und ihre Kollegen berichten. Auch die umgekehrte Übersetzung – von optischen Photonen zu Mikrowellen-Photonen war in der supraleitenden Resonatorkammer möglich.

Schnittstelle zwischen Quantencomputer und Quanteninternet

Nach Ansicht der Forschenden schafft ihr Quanten-Übersetzer damit eine neue Möglichkeit, die Signale von Quantencomputer-Qubits effizient in übertragbare optische Quantensignale umzuwandeln. Diese Technologie eignet sich damit als Schnittstelle zwischen stationären Quantencomputer und der Quantenkommunikation und könnte so ein wichtiges Element des künftigen Quanteninternets werden.

„Das Spannende an dieser Plattform ist ihre Fähigkeit, Verschränkungen effizient zu übertragen“, sagt Kumar. „Die Verschränkung ist zentral zu nahezu allen wichtigen Quantentechnologien – von Quantencomputern und -simulatoren über Quantenmessungen bis zu Atomuhren. Unsere Ergebnisse eröffnen damit letztlich ein ganz neues Feld der Quantenforschung mit hybriden Millimeterwellen und optischen Photonen.“ (Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05740-2)

Quelle: Chicago Quantum Exchange