Photoneninformationen effizient konvertiert
Erfolgreiche Quantenkommunikation
Ein Physikerteam der Saar-Universität hat mit Wissenschaftlern der TU Kaiserslautern einen Frequenz-Konverter für Photonen vorgeschlagen, der Informationen einzelner Lichtteilchen effizient zwischen TK-Glasfaserkabel und supraleitenden Quantenbits im Mikrowellen-Frequenzbereich überträgt.
Das Verfahren schließt eine bestehende Lücke in der Quantenkommunikation. Diese gilt als Königsweg um Kommunikation künftig schnell und sicher zu realisieren. Mit Lichtgeschwindigkeit in Glasfaserkabeln übertragene Photen übertragen Informationen zwar schnell, aber unsicher. Eine mögliche Speichereinheit für die Quanteninformation ist das sogenannte supraleitende Quantenbit (Superconducting Qubit). Dieses arbeitet nicht in der Lichtrequenz von Glasfaserkabeln, sondern im Frequenzbereich von Mikrowellen (im cm-Bereich).
Weil sie leicht absorbiert werden und Informationen verloren gehen können, sind die Wellenlängen im Zentimeter-Bereich für die Übertragung jedoch ungeeignet. Das Hindernis zwischen der Informationsübertragung per Lichtsignalen und Datenauslesung sowie –weiterverarbeitung im Mikrowellen-Frequenzbereich haben die Quantenphysikerin Professorin Giovanna Morigi und ihre Doktorandin Susanne Blum mit Forschern der TU Kaiserslautern umgangen. Sie haben ein Verfahren entwickelt, das die Frequenz eines einzelnen Photons in die Wellenlänge von Quanten-Bits (Qubits) überträgt.
Dies geschieht durch die Kopplung an einen als Quanten-Konverter fungierenden Kristall, in den Metallionen seltener Erden eingebracht wurden. Er absorbiert die Telekom-Photonen und emittiert Mikrowellen-Photonen. Der Prozess ist auch umgekehrt möglich. Durch maßgeschneiderte Quantendynamik wird der Prozess verlustfrei an- und ausgeschaltet.
»Das Ausnutzen der Quanten-Interferenz, einer Eigenschaft der Quantendynamik, ist der springende Punkt, der es erlaubt, den Quanten-Konverter zu realisieren«, erklärt Susanne Blum, die in ihrer Doktorarbeit an dem Thema forscht. »In unserem Protokoll wird die Quanten-Interferenz benutzt, um die Verlustprozesse auf dem Niveau einzelner Photonen gezielt zu unterdrücken“, so die Nachwuchsforscherin.«
»Die Realisierung eines Konverters für einzelne Photonen ist in der gegenwärtigen experimentellen Forschung weltweit sehr wichtig, vor allem in den USA und Kanada«, betont Professorin Giovanna Morigi. Auch an der Saar-Universität forschen Wissenschaftler in den Laboren der Professoren Pavel Bushev, Christoph Becher und Jürgen Eschner daran. »Anstelle von mit seltenen Erden dotierten Kristallen können auch andere Quanten-Systeme benutzt werden. Allerdings bieten die von uns genutzten Kristalle ausgezeichnete Kontrollmöglichkeiten auf dem Niveau einzelner Photonen«, erklärt Morigi. Dieses theoretische Verfahren könne eine bestehende Lücke in dem Bau von Quantennetzwerken schließen.
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