Forscher der Princeton University haben eine neue Methode zur Herstellung von Quantenrepeatern entwickelt, die für die Verbindung von Quantengeräten über große Entfernungen notwendig sind. Im Gegensatz zu klassischen Datensignalen können Quantensignale nicht verstärkt werden, sondern müssen durch Quantenrepeater in Intervallen gestoppt, kopiert und weitergegeben werden. Das von dem Forschungsteam entwickelte neue Gerät verwendet ein einzelnes seltenes Erdeion, das in einem Kristall implantiert ist, um Licht mit einer idealen Infrarotwellenlänge abzugeben. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Signalumwandlung und ermöglicht einfachere und robustere Netzwerke. Das Gerät besteht aus einem mit einer geringen Anzahl von Erbiumionen dotierten Calcium wolframat Kristall und einem nanoskopischen Stück geätztem Silizium, das einzelne Photonen in ein Glasfaserkabel leitet. Die ausgestrahlten Photonen sind mit Informationen aus einer quantenmechanischen Eigenschaft des Ions namens Spin codiert. Allerdings muss die Speicherzeit von Quantenzuständen im Spin des Erbiumions verbessert werden. Das Team arbeitet derzeit daran, das Calcium wolframatmaterial zu verfeinern, um Verunreinigungen zu reduzieren, die die Quantenspins stören.
Einführung
Quantenrepeater sind entscheidend für die Verbindung von Quantengeräten über große Entfernungen, da Quantensignale nicht wie klassische Datensignale verstärkt werden können. Forscher der Princeton University haben ein neues Gerät entwickelt, das den Betrieb von Quantenrepeatern vereinfacht und verbessert, indem es einen einzigen seltenen Erde-Ion in einem Kristall verwendet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Signalumwandlung und es ermöglicht die Schaffung robusterer und effizienterer Netzwerke.
Wichtige Komponenten des Geräts
Das von dem Forscherteam entwickelte neue Gerät besteht aus zwei Hauptkomponenten:
1. Mit Erbium-Ionen dotierter Calciumtungstat-Kristall
Das Gerät verwendet einen mit Erbium-Ionen dotierten Calciumtungstat-Kristall. Dieser Kristall dient als primäres Medium zur Emission von Licht bei einer idealen infraroten Wellenlänge. Die Erbium-Ionen sind dafür verantwortlich, Photonen mit Informationen aus einer quantenmechanischen Eigenschaft namens Spin zu kodieren.
2. Nanoskopisches Siliziumstück zur Photonenführung
Zusätzlich zum Calciumtungstat-Kristall enthält das Gerät ein nanoskopisches Stück geätzten Siliziums. Dieses Stück führt einzelne Photonen in ein Glasfaserkabel ein und ermöglicht deren Übertragung über große Entfernungen.
Funktionsweise und Vorteile
Der neue Ansatz zum Bau von Quantenrepeatern bietet mehrere Vorteile:
1. Vereinfachter Netzwerkaufbau
Durch den Einsatz des einzigen seltenen Erde-Ions im Calciumtungstat-Kristall eliminiert das Gerät die Notwendigkeit einer Signalumwandlung während der Übertragung. Dies vereinfacht den Aufbau von Quantennetzwerken und reduziert potenzielle Fehlerquellen.
2. Robustere Netzwerke
Die Beseitigung der Signalumwandlung stellt sicher, dass die Quantensignale ihren ursprünglichen quantenmechanischen Zustand ohne Degradierung beibehalten. Dies führt zu robusteren und zuverlässigeren Quantennetzwerken.
3. Verbesserte Effizienz
Indem Photonen direkt mit Informationen aus der quantenmechanischen Spin-Eigenschaft des Erbium-Ions codiert werden, erhöht das Gerät die Effizienz der Quantenrepeater. Dies ermöglicht eine schnellere und genauere Übertragung von Quanteninformationen.
Herausforderungen und zukünftige Entwicklung
Obwohl das neue Gerät vielversprechend ist, gibt es immer noch Herausforderungen zu bewältigen:
1. Speicherzeit von Quantenzuständen
Eine Herausforderung besteht in der Speicherzeit von Quantenzuständen im Spin des Erbium-Ions. Das Forscherteam arbeitet derzeit daran, das Calciumtungstat-Material zu verbessern, um Verunreinigungen zu reduzieren, die die quantenmechanischen Spin-Zustände stören. Dadurch könnte die Speicherzeit verlängert und die Gesamtleistung des Geräts verbessert werden.
Schlussfolgerung
Die Entwicklung eines neuen Ansatzes zum Bau von Quantenrepeatern durch Forscher der Princeton University birgt ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung des Bereichs der Quantenkommunikation. Durch den Einsatz eines einzigen seltenen Erde-Ions in einem Kristall vereinfacht das Gerät den Netzwerkaufbau, erhöht die Netzwerkrobustheit und verbessert die Effizienz. Obwohl es noch Herausforderungen gibt, könnte die weitere Entwicklung dieser Technologie einen erheblichen Beitrag zur Etablierung zuverlässiger und sicherer Quantennetzwerke leisten.
