Auswirkungen der Quantenmechanik, einschließlich der Verschränkung zweier Teilchen (ein Phänomen, bei dem getrennte Zustände auftreten).
Zwei unabhängige Forschergruppen haben angekündigtSchaffung von Quellen für einzelne Photonen, die für die Datenübertragung in einem Quantennetzwerk erforderlich sind. Deutsche Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität München nutzten in einem Siliziumkristall eingebettete Erbiumatome, die Licht mit einer Frequenz erzeugen, die modernen Kommunikationsnetzen entspricht.
Und Ingenieure vom Massachusetts Institute of TechnologyDas Institut verwendet Perowskit-Nanokristalle, deren Herstellung leicht skalierbar ist. Sie erfordern jedoch keine extreme Kühlung und können bei Raumtemperatur betrieben werden.
Was ist ein Quantennetzwerk?
Quantencomputer können theoretisch funktionierenAufgaben, die selbst auf den leistungsstärksten Supercomputern der Welt nicht gelöst werden können. Mit ihnen lassen sich die Eigenschaften von Materialien und komplexen Systemen modellieren. Um jedoch wirklich aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, benötigen wir eine effiziente Möglichkeit, Quanteninformationsknoten zu verbinden – verteilte Quantenprozessoren.
Denn Quantencomputer sind grundsätzlichunterscheiden sich von klassischen, die üblichen Methoden zur Informationsübertragung sind auf sie nicht direkt anwendbar. Quanteninformationen sind komplexer: Anstatt wie in klassischen Computern nur den Wert 0 oder 1 zu speichern, kann ein Qubit gleichzeitig die Werte 0 und 1 annehmen (ein Phänomen, das als Superposition bekannt ist).
Die ideale Lösung ist ein Quantennetzwerk −eine Verbindung, bei der ein direkter Informationsaustausch von Qubits unter Wahrung der quantenmechanischen Eigenschaften erfolgt. Das Quantennetzwerk verbindet die Verarbeitungsknoten mit Photonen, die spezielle Verbindungen durchlaufen, die als Wellenleiter bekannt sind.
Der Vorteil einer solchen Verbindung besteht darinQuantengeräte kommunizieren direkt und ermöglichen so eine schnellere Datenverarbeitung. Darüber hinaus können solche Netzwerke zur sicheren Datenübertragung genutzt werden: Sobald ein Angreifer versucht, in Photonen „kodierte“ Informationen abzufangen, gehen die Quanteneigenschaften der Teilchen verloren und die Daten werden unbrauchbar.
Erbiumatome in einem Siliziumkristall
Quantenresonator auf Basis eines Siliziumkristalls. Bild: MCQST
Deutsche Ingenieure haben eine Optik entwickeltein Resonator für Quantennetzwerke auf Basis eines mit Erbiumatomen dotierten Siliziumkristalls. Die Entwicklung folgt einer früheren Studie derselben Gruppe über den Einbau einzelner Seltenerdatome in kristallines Silizium unter Verwendung einer relativ niedrigen Temperatur (ca. 500 °C), um sicherzustellen, dass sich keine große Anzahl von Erbiumatomen im Siliziumgitter zusammenballt.
In einer neuen Studie, deren ErgebnisseIn der in der Fachzeitschrift Optica veröffentlichten Studie zeigten die Forscher, dass es mit solchen Kristallen möglich ist, einzelne Photonen mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. In einem Siliziumkristall platzierte Erbiumatome weisen hervorragende optische Eigenschaften auf, stellen die Autoren der Studie fest. Sie emittieren Licht mit einer Wellenlänge von 1536 nm. Dies ist nahezu identisch mit dem Licht, das zur Datenübertragung in klassischen Glasfasernetzen verwendet wird.
Ingenieure haben einen dotierten Resonator entwickeltErbium, das sich von herkömmlichen Designs dadurch unterscheidet, dass es keine Spiegel enthält. Stattdessen wird ein regelmäßiges Muster nanometergroßer Löcher im kristallinen Silizium verwendet. Das bedeutet, dass der gesamte Resonator nur wenige Mikrometer lang ist und nur wenige Dutzend Erbiumatome enthält. Indem sie einen Resonator mit einer optischen Faser verbanden und Atome mit einem Laser anregten, zeigten die Forscher, dass einzelne Photonen mit gewünschten Eigenschaften emittiert werden können.
Forscher stellen zwei Hauptvorteile fest:was ihrer Meinung nach Erbium-dotiertes Silizium „zu einem idealen Kandidaten für den Aufbau von Quantennetzwerken“ macht. Erstens basiert es auf einem klassischen Material, das in der Halbleiterproduktion weit verbreitet ist, sodass für die Herstellung der erforderlichen Komponenten in großem Maßstab keine neuen komplexen Produktionsanlagen erforderlich sind.
Und zweitens arbeitet das System relativ langsamhohe (für Quantentechnologien) Temperatur – etwa 8 K (-265 °C). Im Gegensatz zu Systemen, die nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, lassen sich solche Bedingungen einfacher durch Kühlung in einem Kryostaten mit flüssigem Helium erzeugen.
Perowskite als Einzelphotonenquellen
Perowskit-Nanokristalle. Bild: MIT
MIT-Forscher schlagen eine Alternative vorDas Material zum Aufbau von Quantennetzwerken sind Perowskite. Dieses Material hat sich bereits weithin als potenzielle Alternative zu Silizium in Solarzellen etabliert. In einer in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlichten Studie zeigten die Ingenieure, dass sie auch einen Strom identischer Photonen erzeugen können.
Für ihre Studie nutzten PhysikerNanopartikel aus Bleihalit-Perowskit. Photovoltaikzellen nutzen dünne Filme dieses Materials und weisen in Form von Nanopartikeln eine unglaublich hohe Rate an kryogener Strahlung auf, was sie von anderen kolloidalen Halbleiter-Nanopartikeln unterscheidet. Je schneller Licht emittiert wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Ausgangssignal eine wohldefinierte Wellenfunktion aufweist, die für Quantennetzwerke unerlässlich ist.
Um zu überprüfen, ob es sich um Photonen handeltUm tatsächlich die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen, führten die Forscher einen Standardtest durch. Dabei geht es darum, eine besondere Art der Interferenz zwischen zwei Photonen nachzuweisen, den Hong-Wu-Mandela-Effekt. Die Ergebnisse des Experiments bestätigten, dass die Quelle Quantenlicht emittiert.
Die Forscher stellen fest, dass die Installation bisher nicht funktioniert hatist perfekt und funktioniert mit Interferenz, aber sie sind zuversichtlich, dass dies durch die Platzierung von Perowskiten in einem optischen Hohlraum überwunden werden kann – ein Effekt, der bei anderen Materialien funktioniert.
Gleichzeitig weisen Forscher auf den Vorteil hinTechnologie in einfacher Produktion. „Der Grund, warum andere Quellen kohärent sind, liegt darin, dass sie aus den reinsten Materialien und eine nach der anderen, Atom für Atom, hergestellt werden. Wir haben also eine sehr schlechte Skalierbarkeit und eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit“, sagt Alexander Kaplan, Co-Autor der Studie. Im Gegensatz dazu werden Perowskit-Nanopartikel in Lösung hergestellt und einfach auf ein Substratmaterial aufgetragen. Darüber hinaus arbeiten solche Quellen bei Raumtemperatur und erfordern keine Kühlung.
Beide vorgeschlagenen Technologien sind noch nicht verfügbareine fertige Lösung für den Aufbau von Quantennetzwerken. Aber das ist ein Schritt in die richtige Richtung. Die Tatsache, dass verschiedene Forschergruppen auf der ganzen Welt alternative Technologien entwickeln und versuchen, eine Lösung zu finden, die relativ kostengünstig und einfach zu skalieren ist, deutet darauf hin, dass Quantennetzwerke bald Realität werden könnten.
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Titelbild: C. Hohmann, MCQST