A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

Der Traum eines Quanteninternets beruht auf einer einfachen, aber schwierigen Prämisse: entfernte Computer miteinander zu verbinden, die die Sprache der Quantenmechanik sprechen. Um ein solches Netzwerk aufzubauen, benötigen Wissenschaftler Knotenpunkte – kleine, isolierte Stationen –, die in der Lage sind, fragile Quanteninformationen so lange zu speichern, wie es die Übertragung einer Nachricht zwischen ihnen dauert. Diese Knoten müssen in der Lage sein, ein Photon, ein einzelnes Lichtteilchen, einzufangen und die Verbindung, die es trägt, festzuhalten, ohne dass die Information verblasst. Die Herausforderung besteht darin, dass Quantenzustände notorisch instabil sind; sie neigen dazu, sich fast augenblicklich zu kollabieren oder ihre besonderen Eigenschaften zu verlieren, wenn sie durch ihre Umgebung gestört werden. Damit ein Netzwerk funktioniert, muss das Gedächtnis innerhalb dieser Knoten länger halten als die Zeit, die benötigt wird, um die nächste Verbindung herzustellen. Wenn das Gedächtnis verblasst, bevor die nächste Verbindung hergestellt wird, kann das Netzwerk nicht wachsen.

Forscher der Universität Innsbruck haben mit der Entwicklung eines neuen Typs von Quantengedächtnis, das Informationen für mehrere Sekunden speichern kann, einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems gemacht. Sie verwendeten eine Kette aus fünf Calcium-Ionen – einzelne Atome, die durch elektrische Felder in einem Vakuum gefangen sind – und platzierten sie in einem spezialisierten optischen Resonator, der darauf ausgelegt ist, Licht einzufangen und zu lenken. In diesem Aufbau fungiert ein Ion als Kommunikator, der ein Photon erzeugt, welches ein Stück Quanteninformation trägt, während die anderen vier Ionen als Speicherbank dienen, die die durch das ko-gefangene Ion erzeugte Verschränkung speichern, anstatt Informationen von außen zu empfangen. Das Team demonstrierte, dass sie den Quantenzustand dieser Speicher-Ionen bis zu fünf Sekunden lang intakt halten konnten, eine Dauer, die um Größenordnungen länger ist als bisher in ähnlichen resonatorbasierten Systemen möglich war. Dieser Erfolg beweist, dass es möglich ist, die hohe Effizienz der Licht-Materie-Wechselwirkung mit der langfristigen Stabilität zu kombinieren, die für ein reales Quantennetzwerk erforderlich ist.

Das Experiment begann damit, die fünf Calcium-Ionen auf nahe den absoluten Nullpunkt abzukühlen und sie in einer Linie einzufangen. Die Forscher verwendeten anschließend einen Laser, um die Ionen in einen spezifischen Quantenzustand zu versetzen. Um diese Zustände vor dem natürlichen Rauschen der Umgebung, wie etwa winzigen Schwankungen in Magnetfeldern, zu schützen, wandten sie eine Technik namens Dynamische Entkopplung an. Dies beinhaltet das Abfeuern einer schnellen Serie von Radiofrequenzpulsen auf die Ionen, wodurch deren Quantenzustände effektiv hin und her geflippt werden, was äußere Störungen ausgleicht. Durch dieses Vorgehen gelang es dem Team, die Lebensdauer der in den Ionen gespeicherten Quanteninformation zu verlängern. In Tests, bei denen kein Licht erzeugt wurde, hielt ein einzelnes Ion seinen Zustand mit hoher Fidelität für fünf Sekunden. Als das Team alle fünf Ionen gemeinsam testete, stellte es fest, dass jedes einzelne genauso gut wie das einzelne Ion performte und die Quanteninformation für die gesamte Dauer aufrechterhielt. Dies bestätigte, dass die Methode für ein Register, oder eine kleine Gruppe von Qubits, funktioniert und nicht nur für ein einzelnes.

Der nächste Schritt bestand darin zu testen, ob dieses Gedächtnis den Prozess der tatsächlichen Erstellung einer Verbindung überstehen kann. Die Forscher programmierten eines der fünf Ionen so, dass es ein Photon erzeugt, welches eine Quantenverbindung zu einem entfernten Ort trägt. Dieser Prozess beinhaltet das Beschießen des Ions mit einem Laser, um es dazu zu bringen, ein Photon in den Resonator emittieren. Das Team wollte sehen, ob der Akt der Photonenerzeugung und die dafür erforderlichen Laser die Quanteninformation in den anderen vier Ionen beschädigen würden. Sie wiederholten den Versuch der Photonenerzeugung tausende Male, während sie die Gesundheit der Speicher-Ionen überwachten. Sie fanden heraus, dass das Gedächtnis robust blieb und seinen Quantenzustand selbst nach tausenden Versuchen beibehielt. Der einzige Faktor, der zur Degradation des Gedächtnisses führte, war eine spezifische Art von Laserinterferenz, bekannt als Crosstalk (Übersprechen), bei der eine winzige Menge des für das kommunizierende Ion vorgesehenen Laserlichts versehentlich auf die Speicher-Ionen traf. Durch die Modellierung dieses Effekts zeigten die Forscher, dass die Degradation vorhersagbar war und kontrolliert werden konnte, anstatt ein grundlegender Fehler im System zu sein.

Das vielleicht beeindruckendste Ergebnis war die Fähigkeit, eine Verbindung zwischen einem Ion und einem Photon lange zu speichern. Das Team erzeugte ein verschränktes Paar, bei dem der Zustand des Ions mit dem Zustand eines Photons verknüpft war, und speicherte dann den Teil des Paares des Ions im Gedächtnis. Sie warteten zwei Sekunden, bevor sie das Ion erneut maßen. Selbst nach dieser langen Verzögerung blieb die Verbindung zwischen dem Ion und dem Photon stark, was bewies, dass das Gedächtnis die Verschränkung erfolgreich bewahrt hatte. Dies ist ein entscheidender Meilenstein, da es zeigt, dass das System in der Lage ist, eine Verbindung lange genug aufrechtzuerhalten, um komplexe Netzwerkoperationen durchzuführen, wie etwa das Warten auf ein Signal von einem entfernten Knoten oder das Durchführen von Berechnungen, bevor die nächste Nachricht gesendet wird. Die Forscher berechneten, dass ihr System mit moderaten Verbesserungen, wie einer besseren Fokussierung der Laser und einer periodischen Kühlung der Ionen, mehrere Verbindungen zwischen zwei entfernten Standorten gleichzeitig herstellen könnte.

Die Arbeit identifizierte auch die spezifischen Grenzen des aktuellen Aufbaus. Obwohl das Gedächtnis unglaublich widerstandsfähig war, stellten die Forscher fest, dass die Effizienz der Photonenerzeugung mit der Zeit leicht sank, da sich die Ionen durch die Laserpulse erwärmten. Sie stellten fest, dass diese Erwärmung dadurch gelöst werden könnte, zusätzliche Ionen in die Kette einzufügen, um das System mitzukühlen, ohne das Gedächtnis zu stören. Darüber hinaus zeigten sie, dass der Laser-Crosstalk, der die Hauptquelle der Fehler war, minimiert werden könnte, indem man die Speicher-Ionen etwas weiter vom kommunizierenden Ion entfernt oder bessere Linsen verwendet, um das Laserlicht enger zu fokussieren. Dies sind technische Herausforderungen und keine fundamentalen physikalischen Barrieren, was darauf hindeutet, dass der Weg nach vorne klar ist.

Diese Forschung stellt einen Wandel vom Bau einzelner Qubit-Experimente hin zur Schaffung kleiner, funktionaler Module dar, die miteinander verbunden werden können. Die Fähigkeit, Quanteninformationen über Sekunden hinweg zu speichern, während man aktiv versucht, ein Netzwerk aufzubauen, ist eine Voraussetzung für die Skalierung von Quantencomputern. Die Ergebnisse des Teams legen nahe, dass ein Netzwerk aus diesen Ion-Resonator-Modulen schließlich die gleichzeitige Erzeugung mehrerer verschränkter Paare zwischen entfernten Standorten unterstützen könnte. Dies würde die Teleportation komplexer Quantenzustände und die Reinigung von Verbindungen über lange Distanzen ermöglichen und somit das Rückgrat eines zukünftigen Quanteninternets bilden. Indem sie demonstrierten, dass ein resonatorintegriertes System eine mehrsekündige Kohärenz und ein robustes Gedächtnis erreichen kann, haben die Forscher einen konkreten Bauplan dafür geliefert, wie Quantennetzwerke in der realen Welt aufgebaut werden könnten.