Auf dem Weg zum Quanten-Internet: Quanten-Modem übersetzt zwischen Quantencomputern und optischen Signalen

Die Kombination von Quantencomputern und Quanten-Kommunikation wird als wichtige Zukunftstechnologie betrachtet. Allerdings speichern und übertragen die meisten Quantencomputer ihre Informationen in Mikrowellen-Photonen. Will man die Quanteninformationen über größere Entfernungen übertragen, müssen sie aber in optischen Photonen gespeichert werden. Physiker:innen haben nun eine Art Quanten-Modem entwickelt, also einen Übersetzer für Quanteninformationen, der die Mikrowellen-Qubits in gut übertragbare optische Photonen umwandelt. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für die Fernverbindung von Quantencomputern.

Das Problem der Übertragbarkeit

Nahezu alle Quantencomputer, darunter auch die von IBM und Google, nutzen supraleitende Transmon-Qubits, bei denen Informationen in Mikrowellen-Photonen gespeichert und übertragen werden. Strahlung in Mikrowellen-Frequenzbereichen ist zwar gut für Telekommunikationsarten wie Mobilfunk, WLAN oder GPS geeignet, scheitert aber an der Übertragung fragiler, verschränkter Quanteninformationen. „Bei Mikrowellen-Frequenzen geht die in einem Photon kodierte Information im thermischen Rauschen unter„, so Erstautorin Aishwarya Kumar von der University of Chicago. Optische Frequenzen sind deshalb deutlich besser für die Fernübertragung von Quanteninformationen geeignet, da sie weit weniger störanfällig sind.

Um Quanteninformationen aber in Form optischer Photonen übertragen zu können, wird eine Möglichkeit benötigt, die vom Quantencomputer ausgegebenen Mikrowellen in optische Transportphotonen zu übersetzen – und zwar ohne dass dabei ihre Verschränkung verloren geht. Bisher wurden für solche Übersetzungen nanostrukturierte Kristalle oder Resonatoren verwendet, die allerdings nur eine geringe Effizienz und beschränkte Bandbreite haben.

Neues Quanten-Modem wandelt Quanteninformationen um

Kumar hat gemeinsam mit ihren Kolleg:innen eine neue Form des Quanten-Modems entwickelt. Dieses neue Modem besteht aus einer Kammer, die an der Kreuzung dreier Wellenleiter in einem Block aus supraleitendem Niob platziert ist. Einer dieser Gänge wird benutzt, um unter Einsatz einer Laserfalle ultrakalte Rubidiumatome ins Zentrum des Wandlers zu bringen und dort zu fixieren. Die Energieabstände, die in den Atomen zwischen den verschiedenen Anregungszuständen existieren, entsprechen genau der Energie von Mikrowellen-Photonen auf der einen Seite und optischen Photonen auf der anderen.

„ In ihrem Grundzustand koppeln diese Atome stark an optische Photonen und wenn sie auf Rydberg-Zustände angeregt werden, koppeln sie an Mikrowellen-Photonen„, so erläutern die Physiker:innen. Der zweite Wellenleiter im Quanten-Modem dient dann als optische Kavität. Mittels halbdurchlässiger Spiegel an beiden Enden werden Mikrowellen im Millimeterbereich sowie optische Photonen reflektiert und damit ihre Interaktion mit den Rubidium-Atomen verstärkt. Außerdem treten die mit den Quanteninformationen beladenen optischen Photonen durch diesen Wellenleiter wieder aus dem Modem aus. Der dritte Kanal schließlich dient dazu, die Millimeterwelle einzustrahlen, die in der Kammer Resonanzeffekte entwickelt.

Übersetzung über Atome

Die eigentliche Übersetzung der Quanteniformationen findet schließlich durch den Wechsel der Rubidiumatome zwischen ihren verschiedenen Zuständen sowie ihre Interaktion mit der Kammerumgebung statt. Die Atome werden mit einem UV-Laser in den sogenannten Rydbergzustand gebracht, wodurch sie je ein Mikrowellen-Photon mit der Quanteninformation aufnehmen können. Die Verschränkung des Photons geht dabei auf das Atom über, die Quanteninformation bleibt also erhalten.

Wenn dann der UV-Laser ab- und ein blauer Laser angeschaltet wird, dann fällt das Rubidium-Atom wieder in einen niedrigeren Energiezustand zurück. Dabei wird ein optisches Photon abgegeben, das die Verschränkung trägt, die ursprünglich von dem Mikrowellen-Photon getragen wurde.

In ersten Tests konnten die Forscher:innen für die Umwandlung eine Effizienz von 58 Prozent bei einem thermischen Rauschen von 0,6 Photonen nachweisen. Die supraleitende Resonatorkammer ermöglichte zudem auch die Übersetzung von optischen Photonen zu Mikrowellen-Photonen, kann also auch eingesetzt werden, um die optisch übertragenen Quanteninformationen wieder in ein Format zu übertragen, das von Quantencomputern genutzt werden kann.

Schnittstelle fürs Quanten-Internet

Die Forscher:innen gehen davon aus, mit ihrem Quanten-Übersetzer eine neue Methode geschaffen zu haben, in Quantencomputer-Qubits gespeicherte Informationen effizient in optische Quantensignale für die Fernübertragung umzuwandeln. Die hauptsächliche Einsatzmöglichkeit der Technologie liegt auf der Hand: Mit ihr können die Informationen aus stationären Quantencomputern so umgewandelt werden, dass sie über weite Entfernungen übertragen werden können. Als Schnittstelle zwischen Quantencomputern und der Quantenkommunikation könnte so ein Quanten-Modem ein wichtiges Element eines künftigen Quanten-Internets werden.

„ Das Spannende an dieser Plattform ist ihre Fähigkeit, Verschränkungen effizient zu übertragen. 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„, erläutert Kumar

via Chicago Quantum Exchange