Temporally multiplexed ion-photon quantum interface via fast ion-chain transport

Stellen Sie sich das Internet vor, aber anstatt E-Mails und Katzenvideos zu versenden, werden die zerbrechlichsten, magischsten Dinge des Universums verschickt: Quanteninformationen. Um dieses „Quanteninternet“ aufzubauen, müssen Wissenschaftler entfernte Computer mithilfe winziger Lichtteilchen, genannt Photonen, miteinander verbinden. Der schwierige Teil dabei ist, dass diese Computer meist aus Materie bestehen (wie gefangene Atome oder Ionen), und sie dazu zu bringen, mit Licht zu kommunizieren, ohne die Nachricht zu verlieren, ist so, als würde man versuchen, ein Gespräch mit einem Geist zu führen, während man ein Glas Wasser hält. Man braucht einen super schnellen, super zuverlässigen Übersetler.

Das große Problem ist die Geschwindigkeit. Derzeit sind diese Übersetler langsam, weil sie auf ein „Ja“ oder „No“-Signal aus der Ferne warten müssen, und Licht braucht Zeit zum Reisen. Wenn man 100 Kilometer entfernt ist, beträgt diese Wartezeit etwa eine Millisekunde. In der Welt des Quantencomputings ist eine Millisekunde eine Ewigkeit. Um dies zu beheben, nutzen Wissenschaftler einen Trick namens „Multiplexing“. Stellen Sie sich das wie eine belebte Autobahn vor: Anstatt dass ein einzelnes Auto versucht, eine Brücke zu überqueren und darauf wartet, dass die andere Seite frei wird, senden Sie einen ganzen Konvoi von Autos gleichzeitig. Wenn ein Auto stecken bleibt, bewegen sich die anderen weiter. Diese Arbeit untersucht einen Weg, eine „Quantenautobahn“ unter Verwendung von gefangenen Ionen aufzubauen, bei dem wir nicht nur eine Nachricht nach der anderen senden, sondern eine ganze Parade von ihnen, unglaublich schnell.

Der Quantenbus: Ionen beschleunigen, um Licht zu erzeugen

In dieser Studie beschlossen Forscher der UC Berkeley und des Lawrence Berkeley National Laboratory, einen neuen Weg zu testen, um diese Quantenverbindungen herzustellen. Anstatt neun verschiedene Ionen an neun verschiedenen Orten stillsitzen zu lassen, entschieden sie sich, neun Calcium-Ionen in einer Reihe aufzustellen und sie wie einen Zug physisch zu bewegen. Ihr Ziel war es, eine „temporal gemultiplexierte“ Schnittstelle zu schaffen, was eine schicke Art zu sagen ist, dass sie neun Versuche, eine Quantenverbindung herzustellen, in die Zeit pressen wollten, die normalerweise für nur einen einzigen Versuch nötig wäre.

So funktioniert ihr „Quantenbus“. Sie fingen eine Kette aus neun Calcium-Ionen in einem magnetischen und elektrischen Käfig (einer Paul-Falle) ein. Normal zuerweise muss man ein spezifisches Laserstrahl auf ein Ion richten, um es dazu zu bringen, ein einzelnes Photon (ein Lichtteilchen) auszustoßen. Wenn man neun Ionen hat, muss man sie normalerweise nacheinander anvisieren, was Zeit kostet. Aber dieses Team hat etwas Cleveres gemacht: Sie beschossen die gesamte Kette mit einem Kühlungslaser und nutzten dann elektrische Felder, um die gesamte Ionenkette physisch über eine winzige Distanz von 74 Mikrometern (das ist weniger als die Breite eines menschlichen Haares) hin und her zu transportieren.

Während sich die Kette bewegte, schalteten sie einen Laserstrahl ein, der nur das Ion traf, das gerade durch die Mitte passierte. Es ist wie ein Förderband voller Menschen, die an einem Fotografen vorbeilaufen; der Fotograf drückt nur dann ab, wenn die richtige Person vor dem Objektiv ist. Durch die schnelle Bewegung der Ionen konnten sie ein Foto von Ion 1, dann Ion 2, dann Ion 3 machen – alles in der Zeit, die früher nur für Ion 1 benötigt wurde. Es gelang ihnen, die gesamte Kette von neun Ionen in nur 86 Mikrosekunden über diese winzige Lücke zu bewegen. Das ist unglaublich schnell – etwa die Zeit, die ein Kolibri für einen einzigen Flügelschlag benötigt.

Hat es funktioniert? Der „Fingerabdruck“ eines einzelnen Photons

Die Forscher mussten beweisen, dass sie tatsächlich einzelne Photonen erhielten und nicht nur ein chaotisches Lichtgespritz von mehreren Ionen gleichzeitig. Um dies zu tun, maßen sie etwas, das als „zweite Ordnung der Korrelationsfunktion“ bezeichnet wird, was ein wenig so ist, als würde man prüfen, ob zwei Photonen exakt zur gleichen Zeit ankommen. Wenn dies der Fall ist, bedeutet es, dass die Quelle unordentlich ist. Wenn nicht, bedeutet es, dass die Quelle sauber ist und ein einzelnes Photon nach dem anderen produziert.

Das Team fand heraus, dass ihr „Quantenbus“ wunderbar funktionierte. Sie maßen einen Wert von g(2)(0) = 0,060(13). In der Welt der Quantenphysik ist eine Zahl nahe Null ein riesiger Erfolg; es bedeutet, dass die Photonen sehr „rein“ sind und nicht von den falschen Ionen stammen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das „Crosstalk“ (wenn der Laser versehentlich das falsche Ion trifft) nur etwa 1 % betrug. Die Autoren merken an, dass dies in Zukunft noch verbessert werden könnte, indem man das Licht mit einer Einmoden-Glasfaser verbindet, die wie ein super enger Tunnel für die Photonen wirkt und jegliches Streulicht blockiert.

Die holprige Fahrt: Wenn der Bus schaukelt

Das Bewegen einer Ionenkette mit dieser Geschwindigkeit ist jedoch nicht ohne Probleme. Stellen Sie sich vor, Sie fahren in einem Bus mit, der plötzlich beschleunigt und stoppt; Sie würden herumgeschleudert werden. Auch die Ionen werden herumgeworfen und vibrieren in ihrer Falle. Dies wird als „Bewegungsanregung“ bezeichnet, und das sind schlechte Nachrichten, denn wenn die Ionen zu stark schwingen, wird es schwierig, die für später benötigten empfindlichen Quantenoperationen durchzuführen.

Das Team maß, wie stark die Ionen nach ihrer Hochgeschwindigkeitsfahrt schaukelten. Sie fanden heraus, dass der „Center-of-Mass“-Modus (die gesamte Kette, die zusammen vibriert) auf einen Durchschnitt von $\bar{n}_\alpha \approx 110$ angeregt wurde. Das bedeutet, dass die Ionen ziemlich stark vibrierten – viel mehr, als wenn sie einfach nur stillstünden. Die Forscher nutzten Computersimulationen, um zu verstehen, warum sie so stark schaukelten. Sie fanden heraus, dass ihre Modelle vorhersagten, die Ionen müssten ruhiger sein, als sie es tatsächlich waren, insbesondere wenn der Transport in etwa 160 bis 170 Mikrosekunden stattfand. Dies deutet darauf hin, dass, obwohl sie einen funktionierenden Prototyp haben, immer noch einige „diabatische“ (plötzliche und ruckartige) physikalische Prozesse ablaufen, die ihre aktuellen Modelle noch nicht vollständig erfassen. Sie vermuten, dass die Ionen ihre Bewegungen auf eine Weise mischen könnten, die sie noch nicht vollständig kartiert haben.

Was kommt als Nächstes?

Diese Arbeit ist ein „Proof-of-Principle“, was bedeutet, dass sie zeigt, dass die Idee in der realen Welt funktioniert, auch wenn sie noch nicht perfekt ist. Die Autoren schlagen vor, dass sie die Methode noch weiter beschleunigen könnten, wenn sie die Falle enger machen (durch 3D-gedruckte Mikrofallen) oder die Art und Weise, wie sie die Ionen bewegen, optimieren. Sie weisen auch darauf hin, dass diese Methode schließlich mit winzigen Spiegeln (Resonatoren) kombiniert werden könnte, um die Photonen noch effizienter einzufangen.

Obwohl das aktuelle Setup einige Schwingungen und ein wenig Laser-„Crosstalk“ aufweist, ist die Kernidee solide: Durch die physische Bewegung einer Ionenkette kann man die Rate, mit der man versucht, Quantenverbindungen herzustellen, vervielfachen. Dies ebnet den Weg für eine Zukunft, in der Quantennetzwerke über lange Distanzen mit Geschwindigkeiten kommunizieren können, die zuvor als unmöglich galten. Die Straße ist momentan noch etwas holprig, aber der Bus fährt definitiv.