Photonenspeicher markiert Fortschritt in der Quantentechnologie
Quantenphänomene treten in der Größenordnung der Atome und subatomaren Teilchen auf. Mit unserem wachsenden Verständnis dafür, was sich in diesen Größenordnungen abspielt, haben sich aufregende neue Möglichkeiten in Gebieten wie der Quantentechnologie und Quanteninformationsverarbeitung eröffnet. Diese könnten die menschliche Gesellschaft entscheidend voranbringen. Eines Tages könnten Quantencomputer in nur wenigen Sekunden Probleme lösen, für deren Lösung normale Computer Milliarden Jahre brauchen würden.
Glänzende Ideen
In den photonischen Quantentechnologien spielt das Licht eine Hauptrolle. „Licht ist eines der wenigen Medien, an denen wir Quantenphänomene unter normalen Bedingungen beobachten können“, erklärt Ian Walmsley, Koordinator des Projekts BRiiGHT und Professor für Experimentalphysik am Imperial College London im Vereinigten Königreich. „Dies qualifiziert es zu einem idealen Medium für Quantenanwendungen.“ Photonische Quantentechnologien bergen ein enormes Potenzial für Anwendungen wie zum Beispiel die sichere Kommunikation oder zur Verbindung der Knoten eines Quantencomputers. „Prinzipiell ist es sogar möglich, einen Quantenprozessor komplett aus Licht zu bauen“, berichtet Walmsley. „Mehrere Firmen und Forschungsgruppen versuchen sich gegenwärtig an dieser Aufgabe.“ Maßstabsvergrößerungen erfordern bei bestimmten Quantentechnologien jedoch Quantenspeicher, damit Licht gespeichert und bei Bedarf abgegeben werden kann. Eine zentrale Herausforderung stellte bislang die Unzuverlässigkeit von Photonenquellen dar, die nicht immer Photonen in der richtigen Qualität oder zu dem Zeitpunkt erzeugen, wenn sie gebraucht werden. Unzulänglichkeiten dieser Art haben bisher die Einführung photonischer Quantentechnologien für Computer und Kommunikationszwecke behindert. Das vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt BRiiGHT sollte dieses Problem mit dem Bau einer robusten Lichtspeichereinheit lösen, die bei Bedarf Photonen liefert. Auf diese Weise könnten Photonen gespeichert und dann alle gemeinsam in das Netzwerk abgegeben werden. „Eine wichtige Aufgabe bestand hier darin, einen Quantenspeicher mit dem richtigen Wirkungsgrad und mit ausreichend niedrigem Rauschen zu bauen“, sagt Walmsley. „Rauschen verhindert Operationen auf der Quantenebene.“ Nachdem dieses Ziel erreicht war, konzentrierten sich Walmsley und sein Team auf die Verbesserung der Qualität der Lichtquelle. „Wir konnten nachweisen, dass eine ‚Abstimmung‘ des Speichers möglich ist, so dass er für verschiedene Anwendungen geeignet ist“, fügt er hinzu. „Dazu zählen die Netzwerksynchronisierung, die Filterung zur Verbesserung der Photonenqualität oder letztlich die Funktion als Repeaterstation für die Langstrecken-Quantenkommunikation.“
Lösungen für die Photonenspeicherung
Einer der Bausteine des photonischen Quantencomputers ist der Zugang zu Photonen, die auf Abruf bereitstehen. Das Projekt BRiiGHT hat mit seinen beeindruckenden Fortschritten auf dem Gebiet des Quantenspeichers diesbezüglich eine entscheidende Rolle gespielt. „Es gibt noch einige echte technische Probleme, die gelöst werden müssen“, erläutert Walmsley. „Aber wir denken, dass der Speicher ausreichend einfach ist, dass der Bau so vieler davon, wie sie für jede Quantenmaschine benötigt werden, realisierbar erscheint.“ Quantenphotonische Speicher könnten auch für netzwerkbasierte Quantencomputer und bei Protokollen, für die ein Quantennetzwerkzugang erforderlich ist, von Nutzen sein. Walmsley ist sich sicher, dass sie im Endeffekt in Quantenkommunikationsnetzen zum Einsatz kommen werden. „Auch wenn der Rauschpegel, die Bandbreite und der Wirkungsgrad des Speichers bereits für einige Anwendungen geeignet sind, müssen wir noch einige Aspekte der Speicherleistung verbessern“, erklärt er. „Dazu gehört die Möglichkeit der Langzeitspeicherung, welche die Tür zu einem breiteren Anwendungsspektrum einschließlich der Quantenrepeater öffnen würde.“ Inzwischen wurde die Technologie lizenziert. „Es wäre großartig, sie irgendwann als funktionierende Komponente eines kommerziellen Systems für Quantencomputing oder in anderen Quantenanwendungen zu erleben“, betont Walmsley abschließend.
Schlüsselbegriffe
BRiiGHT, Quanten, Quanteninformationsverarbeitung, Quanteninformatik, Photonen, Atome, subatomar, photonisch
