Waveguide-array-based multiplexed photonic interface for atom array

Die Zukunft des Internets könnte von einer neuen Art der Verbindung abhängen, die nicht darauf basiert, Bits an Information durch Kupferdrähte oder Glasfasern zu senden, sondern auf dem Senden der eigentlichen Essenz der Materie selbst. Dies ist das Reich des Quanten-Networkings, einem Feld, das sich der Verknüpfung von Quantencomputern widmet, damit diese Probleme lösen können, die für eine einzelne Maschine allein zu gewaltig sind. Um ein solches Netzwerk aufzubauen, benötigen Wissenschaftler eine Möglichkeit, stationäre Quantenbits, die als Speicher und Prozessoren fungieren, mit fliegenden Lichtteilchen zu verbinden, die Informationen zwischen ihnen tragen. Die Herausforderung liegt im erforderlichen enormen Maßstab; ein nützliches Quantennetzwerk muss viele Verbindungen gleichzeitig bewältigen können, nicht nur eine. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Autobahnsystem zu bauen, bei dem jedes Auto perfekt in seine eigene spezifische Spur geleitet werden muss, ohne jemals das Auto neben ihm zu berühren. Wenn die Spuren zu nah beieinander liegen, kollidieren die Autos miteinander und bringen die empfindlichen Informationen durcheinander, die sie transportieren. Jahrelang haben Forscher darum gekämpft, Licht von vielen separaten Quantenquellen in distinkte Kanäle zu leiten, ohne dass dabei Interferenzen auftreten – eine Hürde, die groß angelegte Quantennetzwerke bisher unerreichbar hielt.

In einem jüngsten Durchbruch hat ein Team von Forschern eine praktische Lösung für dieses Problem demonstriert, indem es eine spezialisierte Schnittstelle geschaffen hat, die Licht aus einem Array von Atomen in ein dichtes Gitter aus optischen Kanälen leitet. Die Wissenschaftler arbeiteten mit einer Reihe einzelner Rubidiumatome, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt und durch unsichtbare Lichtstrahlen an Ort und Stelle gehalten wurden. Diese Atome fungieren als Quantenprozessoren, die in der Lage sind, einzelne Lichtteilchen oder Photonen zu erzeugen, die mit dem Zustand des Atoms selbst verschränkt sind. Das Ziel bestand darin, diese Photonen einzufangen und sie in ein chipbasiertes Gerät mit zweiunddreißig separaten Kanälen zu leiten, wobei sichergestellt werden sollte, dass das Photon eines spezifischen Atoms nur in seinen zugewiesenen Kanal gelangt und nicht in die benachbarten Kanäle. Den Forschern gelang es, Photonen von zehn verschiedenen Atomen in zehn separate Kanäle innerhalb dieses Gitters zu leiten, was bewies, dass es möglich ist, mehrere Quantenverbindungen gleichzeitig zu verwalten, ohne dass sich die Signale gegenseitig überlagern.

Das Experiment fand in einer Vakuumkammer statt, in der die Rubidiumatome in einer eindimensionalen Linie gefangen waren, die nur 7,5 Mikrometer voneinander entfernt war. Um das schwache Licht, das von diesen Atomen emittiert wurde, einzufangen, nutzte das Team ein Hochleistungslinsensystem, das das Bild des Atom-Arrays vergrößerte und auf einen Glaschip projizierte. Dieser Chip, bekannt als photonischer integrierter Schaltkreis, verfügte über ein dichtes Array von Wellenleitern – winzigen Kanälen, die in das Glas geätzt sind und als Tunnel für das Licht dienen. Der Abstand zwischen diesen Kanälen betrug 25 Mikrometer, eine Distanz, die sorgfältig gewählt wurde, um dem vergrößerten Bild der Atome zu entsprechen. Durch den Einsatz eines computergesteuerten Systems zur extrem präzisen Justierung der Position der Atome stellten die Forscher sicher, dass jedes Atom perfekt vor seinem entsprechenden Wellenleiter positioniert war. Diese Ausrichtung war entscheidend; selbst eine winzige Verschiebung hätte dazu geführt, dass das Licht sein Ziel verfehlt oder in den falschen Kanal überlaufen wäre.

Nachdem die Ausrichtung optimiert worden war, testete das Team das System, indem sie die Atome anregten und das Licht maßen, das auf der anderen Seite des Chips austrat. Sie fanden heraus, dass die Photonen der zehn verschiedenen Atome erfolgreich in ihre jeweiligen Kanäle geleitet wurden, wobei die Netto-Kopplungseffizienz auf zwischen 0,3 % und 1,2 % geschätzt wurde. Obwohl die Autoren diese aktuelle Sammlungseffizienz als relativ gering charakterisieren, demonstrierte das System erfolgreich die Fähigkeit, mehrere Signale zu routen.ت Wichtiger noch war, dass sie das „Übersprechen“ (Crosstalk) maßen, also die Menge an Licht, die versehentlich von einem Kanal in einen anderen geleckt ist. Die Ergebnisse zeigten, dass dieses Lecken vernachlässigbar war, was bedeutet, dass das System die zehn verschiedenen Quantensignale vollständig voneinander trennen konnte. Dieses Maß an Isolation ist für ein funktionierendes Quantennetzwerk essenziell, da es sicherstellt, dass Informationen, die von einem Knoten gesendet werden, nicht durch Signale eines benachbarten Knotens korrumpiert werden. Die Forscher verifizierten auch, dass das Licht seine Quanteneigenschaften beibehielt, insbesondere die Verbindung zwischen dem internen Zustand des Atoms und der Polarisation, also der Orientierung, der Lichtwelle. Durch die Messung der Polarisation der Photonen bestätigten sie, dass die Verbindung zwischen dem Atom und dem Licht während des Transports durch den Wellenleiter intakt blieb – eine notwendige Bedingung für die Erzeugung der verschränkten Verbindungen, die das Quanteninternet antreiben.

Die Bedeutung dieser Arbeit reicht über den unmittelbaren Erfolg der Leitung von zehn Photonen hinaus. Die hier verwendete Technologie basiert auf einem Glaschip, der mit hoher Präzision hergestellt werden kann und somit einen skalierbaren Weg für den Aufbau größerer Netzwerke bietet. Während das aktuelle Experiment zehn Kanäle der insgesamt zweiunddreißig auf dem Chip verfügbaren Kanäle nutzte, merkten die Forscher an, dass der derzeitige Abstand von 7,5 µm zwischen den Atomen größer ist als der Bereich, in dem Rydberg-Gatter nachgewiesen wurden, welche typischerweise bei Abständen von 5 µm oder weniger operieren. Sie schlugen jedoch vor, dass die Nutzung hochangeregter Rydberg-Zustände High-Fidelity-Gatter bei größeren Abständen ermöglichen könnte, was potenziell die direkte Verbindung des Systems mit einem Rydberg-Atom-Array-Quantenprozessor erlauben würde. Dieser Ansatz bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber bisherigen Methoden, die auf sperrige Linsen und Glasfasern angewiesen waren, da der integrierte Chip eine kompakte und stabile Plattform bietet, die massenproduziert werden kann. Für die Quantenkommunikation über lange Distanzen, bei der Signale über weite Strecken gesendet werden müssen, ist die Fähigkeit, viele Signale parallel zu senden, entscheidend. Ohne diese parallele Kapazität wäre die Geschwindigkeit des Netzwerks durch die Zeit begrenzt, die benötigt wird, um ein einzelnes Signal zu senden und auf eine Bestätigung zu warten – eine Verzögerung, die über lange Distanzen prohibitiv wird.

Diese Demonstration stellt einen wichtigen Schritt zur Realisierung einer verteilten Quantencomputing-Architektur dar, bei der mehrere Quantenprozessoren miteinander verknüpft werden, um als eine einzige, leistungsstarke Maschine zu fungieren. Indem das Team bewies, dass ein dichtes Array von Atomen effizient an ein Wellenleiter-Array ohne Signalinterferenz gekoppelt werden kann, hat es einen wesentlichen Engpass in der Entwicklung von Quantennetzwerken beseitigt. Das System überbrückt erfolgreich die Lücke zwischen der mikroskopischen Welt der gefangenen Atome und der makroskopischen Welt der Glasfaserkabel und bietet eine zuverlässige Schnittstelle für zukünftige Quantengeräte. Obwohl der aktuelle Aufbau ein Laborprototyp ist, sind die hier demonstrierten Prinzipien direkt auf den Bau realer Quantennetzwerke anwendbar. Die Fähigkeit, mehrere verschränkte Verbindungen gleichzeitig zu erzeugen und zu leiten, öffnet die Tür zu einer neuen Ära der Kommunikation, in der Quanteninformationen mit der Geschwindigkeit und Kapazität verteilt werden können, die für die nächste Generation des Computings erforderlich sind.