Physiker entwerfen Quantenschalter, die durch einzelne Photonen aktiviert werden können

Harvard-Forscher haben gelang es, Quantenschalter zu schaffen das mit einem einzigen Photon ein- und ausgeschaltet werden kann, eine technologische Errungenschaft, die den Weg für die Schaffung hochsicherer Quantennetzwerke ebnen könnte.

 

Die aus einzelnen Atomen gebauten ersten Schalter ihrer Art könnten eines Tages über Glasfaserkabel vernetzt werden, um das Rückgrat eines „Quanteninternets“ zu bilden, das eine absolut sichere Kommunikation ermöglicht, sagte Mikhail Lukin, Professor für Physik und Leiter eines Team bestehend aus dem Doktoranden Jeff Thompson und dem Postdoktoranden Tobias Tiecke, um das neue System zu konstruieren. Ihre Forschung wird in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in detailliert beschrieben Natur.

„Aus technischer Sicht ist das eine bemerkenswerte Leistung“, sagte Lukin über den neuen Fortschritt. „Vom Konzept her ist die Idee ganz einfach: Den herkömmlichen Lichtschalter bis an seine Grenzen zu bringen. Was wir hier gemacht haben, ist, ein einzelnes Atom als Schalter zu verwenden, der je nach Zustand den Photonenfluss öffnen oder schließen kann … und der mit einem einzelnen Photon „ein“ und „aus“ geschaltet werden kann.“

Obwohl die Schalter zum Bau eines Quantencomputers verwendet werden könnten, sagte Lukin, es sei unwahrscheinlich, dass die Technologie in einem durchschnittlichen Desktop-Computer zum Einsatz komme.

Ihr Einsatzgebiet sei, sagte er, bei der Schaffung von Glasfasernetzen, die Folgendes nutzen: , eine Methode zur Verschlüsselung der Kommunikation mithilfe der Gesetze der Quantenmechanik, um eine vollkommen sichere Kommunikation zu ermöglichen. Solche Systeme machen es unmöglich, über das Netzwerk gesendete Nachrichten abzufangen und zu lesen, da bereits die Messung eines Quantenobjekts dieses verändert und verräterische Anzeichen der Spionage hinterlässt.

„Es ist unwahrscheinlich, dass jeder diese Art von Technologie braucht“, sagte er. „Aber es gibt einige realistische Anwendungen, die eines Tages transformative Auswirkungen auf unsere Gesellschaft haben könnten. Derzeit sind wir auf die Nutzung der Quantenkryptographie über relativ kurze Distanzen – Dutzende Kilometer – beschränkt. Basierend auf dem neuen Fortschritt können wir möglicherweise die Reichweite der Quantenkryptographie auf Tausende von Kilometern erweitern.“

Wichtig sei, so Tiecke, dass ihr System hoch skalierbar sei – und eines Tages die Herstellung Tausender solcher Schalter in einem einzigen Gerät ermöglichen könnte.

„Wir haben wirklich Ideen übernommen, die Menschen erforscht haben und immer noch erforschen, und zwar in makroskopischen Systemen, in denen das Licht auf zwei zentimetergroßen Spiegeln hin und her reflektiert wird, um mit einem Atom zu interagieren – das haben wir übernommen und verkleinert.“ es runter“, sagte Thompson. „Seit zwei Jahrzehnten arbeiten Forscher daran, zwei oder drei dieser makroskopischen Systeme zu koppeln und ein einfaches Netzwerk zu schaffen, aber es ist für uns sehr einfach, drei oder vier oder 10.000 dieser optischen Schaltkreise zu schaffen. Was das vorliegende Papier zeigt, ist zumindest technologisch der Weg nach vorne.“

Lukin glaubt, dass dies eine Möglichkeit für Quantensysteme ist, den gleichen Übergang zu vollziehen, den herkömmliche Computer vor Jahrzehnten vollzogen haben – von Vakuumröhren zu integrierten Schaltkreisen.

„Herkömmliche Computer wurden ursprünglich mit Vakuumröhren gebaut, und schließlich entwickelten die Menschen integrierte Schaltkreise, die in modernen Computern verwendet werden“, sagte er. „Beim heutigen Stand der Quantensysteme ähneln die besten Systeme immer noch Vakuumröhren – sie nutzen typischerweise Vakuumkammern, um einzelne Atome mithilfe elektromagnetischer Felder zu isolieren und festzuhalten.

„Aber es ist ganz klar, wenn wir diese Systeme vergrößern wollen, müssen wir über den Einsatz integrierter Schaltkreise nachdenken“, fuhr er fort. „Jeff und Tobias haben ein Hybridsystem geschaffen. Wir nehmen Atome in Vakuumkammern und kombinieren sie mit integrierten Schaltkreisen.“

Obwohl herkömmliche Computerchips auf ähnliche Weise hergestellt werden, sind die  Die von Thompson und Tiecke gebauten Fahrzeuge werden nicht mit Strom, sondern mit Licht betrieben.

Die Chips nutzen nanophotonische Technologie – im Wesentlichen die Fähigkeit, „Verkabelungen“ zu erstellen, die den Weg des Lichts kanalisieren und steuern können –, um optische Schaltkreise aufzubauen, die dann mit Glasfaserkabeln verbunden werden können.

Nach dem Platzieren des  In einer Vakuumkammer verwendeten Forscher „optische Pinzetten“ – präzise fokussierte Laser –, um ein einzelnes Atom einzufangen und es auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Anschließend bewegen sie das Atom bis auf wenige hundert Nanometer an den Chip heran.

Es reicht jedoch nicht aus, die beiden Teile einfach zusammenzubringen.

Quantenschalter zu schaffen, die eines Tages das Herzstück von sein könnten , bombardieren sie das Atom mit Mikrowellen und Lasern, wodurch es in einen Quantenüberlagerungszustand übergeht – das heißt, es kann gleichzeitig mehrere Quantenzustände einnehmen, die den „Ein“- und „Aus“-Zuständen des Schalters entsprechen.

„Damit dies funktioniert, muss der Atomschalter in diesem speziellen Überlagerungszustand vorbereitet werden“, erklärte Lukin. „Dieser Überlagerungszustand ist extrem fragil – so fragil, dass es tatsächlich seine Phase ändert, wenn ein einzelnes Photon darauf trifft. Dieser Phasenwechsel ermöglicht es ihm, wie ein Ventil zu wirken und ein- oder ausgeschaltet zu werden.“

Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass die Schalter zur Standardausrüstung für Personalcomputer werden, sagte Lukin, dass sie in nur einem Jahrzehnt in Prototypen von Quantennetzwerken auftauchen könnten.

„Es gibt andere Systeme, die im Hinblick auf den Aufbau eines Quantencomputers ausgefeilter sind“, sagte Thompson. „Aber der entscheidende Vorteil dessen, was in dieser Arbeit gezeigt wird, besteht darin, dass der Einzelatomschalter sehr eng an Licht gekoppelt ist, und zwar insbesondere an Licht in optischen Fasern.“

Schreibe einen Kommentar

de_DEGerman