Hardware für Quantennetzwerke Dank ultraschneller Laserpulse werden komplexe optische Filter überflüssig

Forscher demonstrieren eine neue Methode, mit der sich einzelne Photonen in einem diamantbasierten Quantensystem erzeugen lassen. Dabei hilft ein neues Laser-Verfahren auf Basis von Diamant-Nanostrukturen.

Diamantkristalle mit gezielt eingebrachten Defekten, sogenannte Zinn-Vakanz-Zentren (SnV-Zentren), gelten als vielversprechende Bausteine für stabile Quantenbits (Qubits). Sie können Quanteninformationen speichern, verarbeiten und auf Photonen übertragen. Für Optoelektronik-Entwickler gibt es dabei jedoch eine massive Hürde: Um diese Qubits zu kontrollieren, müssen sie mit Licht angeregt werden. Anschließend muss das vom Qubit emittierte Einzelphoton eindeutig als Informationsträger nachgewiesen werden.

In konventionellen Aufbauten gibt es allerdings das Problem, dass sich das helle Licht des anregenden Kontrolllasers nur mit sehr komplexen optischen Filtertechniken von den schwachen einzelnen Photonen trennen lässt. Diese Filter dämpfen das Signal, verringern die Effizienz des Systems drastisch und stehen einer Skalierung der Hardware für kommerzielle Anwendungen im Weg.

Zwei Laserpulse statt aufwendiger Filter

Ein Forschungsteam der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) hat nun in Zusammenarbeit mit der TU Dortmund demonstriert, dass sich dieses Hardware-Problem mit einer neuen Ansteuerungsmethode lösen lässt. Das Verfahren nennt sich SUPER und steht für Swing-UP of the Quantum EmitteR Population.

Anstatt das Licht im Nachgang aufwendig zu filtern, setzt SUPER an der Quelle an: Zwei speziell aufeinander abgestimmte, extrem kurze Laserpulse im Femtosekundenbereich regen das Quantensystem an. Durch diese ultraschnelle optische Kontrolle – eine der schnellsten, die bislang für diamantbasierte Systeme demonstriert wurde – lässt sich der Kontrolllaser deutlich einfacher von den emittierten Photonen trennen.

Bessere Signalqualität, komplexere Operationen

Welchen großen Vorteil das für das künftige Systemdesign hat, betonen auch die beteiligten Forscher der HU Berlin. „Mit ultraschnellen Pulsen können wir den Quantenzustand auf völlig neuen Zeitskalen kontrollieren. Das eröffnet den Weg zu schnelleren und komplexeren Quantenoperationen auf Basis von Diamant“, erklärt Cem Güney Torun, Doktorand am Institut für Physik und einer der beiden Erstautoren der Studie.

Das eigentliche optoelektronische Nadelöhr ist jedoch die Ausbeute und Signalqualität, wie sein Kollege Mustafa Gökçe ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, das System effizient anzuregen und gleichzeitig die emittierten Einzelphotonen sauber und nutzbar zu halten. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Aufbau von Netzwerken für die Quantenkommunikation.“

Hohe Effizienz für künftige Quantenrepeater

Ein weiterer entscheidender Vorteil für künftige Netzwerkarchitekturen: Die SUPER-Methode erhält den internen Quanten-Spinzustand des Systems. Dieser ist zwingend erforderlich, um Quantenverschränkung zwischen entfernten Netzknoten herzustellen.

Durch die Kombination aus moderner Diamant-Nanofabrikation und ultraschneller Laseroptik steht der Festkörper-Quantentechnologie damit ein neues Werkzeug zur Verfügung. Die Skalierung von Bauteilen wie Quantenrepeatern, die für ein verlustfreies Quanteninternet über weite Strecken benötigt werden, rückt damit aus dem reinen Grundlagenlabor ein deutliches Stück näher in Richtung praxistauglicher Systemintegration. (heh)

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