Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator

Auf der Suche nach dem Aufbau eines Quanteninternets stehen Wissenschaftler vor einer grundlegenden Diskrepanz zwischen zwei leistungsstarken Technologien. Auf der einen Seite sind supraleitende Qubits, die winzigen, ultraschnellen Prozessoren, die derzeit das Rennen um die Quantenleistung anführen. Diese Maschinen arbeiten bei Mikrowellenfrequenzen und müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um zu funktionieren. Auf der anderen Seite stehen optische Signale, Lichtstrahlen, die Informationen über weite Strecken durch Glasfaserkabel mit fast keinem Verlust transportieren können. Die Herausforderung besteht darin, dass diese beiden Informationssprachen nicht miteinander sprechen. Um einen Quantencomputer mit einem globalen Netzwerk zu verbinden, benötigen Forscher einen Übersetzer oder Transducer, der die Mikrowellensignale des Computers in Lichtsignale für den Transport und zurück konvertieren kann, ohne die empfindliche Quanteninformation, die sie tragen, zu zerstören.

Diese Übersetzung ist schwierig, da der Energieunterschied zwischen einem Mikrowellenphoton und einem optischen Photon enorm ist. Darüber hinaus muss der Übersetzer in derselben gefrorenen Umgebung wie der Computer arbeiten und darf sich nicht auf starke Magnetfelder verlassen, die den Betrieb des Computers stören würden. Während einige Materialien bereits vielversprechend gezeigt haben, erfordern sie oft Magnetfelder, die mit supraleitenden Schaltkreisen inkompatibel sind. Ein Forscherteam der University of Calgary hat sich nun einem speziellen Kristall zugewandt, der mit Ytterbium-Ionen dotiert ist. Dieses Material besitzt von Natur aus die richtigen Eigenschaften, um die Lücke zu schließen, ohne externe Magnetfelder zu benötigen, was einen potenziellen Weg bietet, Quantenspeicher und Signalumwandlung in ein einziges, effizientes Gerät zu integrieren.

Die Forscher gingen die Aufgabe an, diese Konvertierung mit einem Kristall aus Yttriumorthosilikat zu demonstrieren, einem festen Material, das mit einer geringen Menge Ytterbium angereichert wurde. Sie platzierten ein winziges Stück dieses Kristalls, das nur wenige Millimeter groß war, in einem spezialisierten 3D-Mikrowellenresonator. Dieser Resonator ist eine hohle Metallstruktur, die durch Schleifen und Lücken geformt ist, um Mikrowellensignale einzufangen und zu verstärken. Der Kristall wurde auf eine Temperatur von 30 Millikelvin abgekühlt, kälter als der tiefe Weltraum, um sicherzustellen, dass die Atome im Inneren stabil blieben. Das Team feuerte dann einen kontinuierlichen Laserstrahl in den Kristall, während es gleichzeitig Mikrowellensignale durch den Resonator sendete. Das Ziel war zu sehen, ob die Mikrowellenenergie von den Atomen absorbiert und als neues Lichtfarbspektrum wieder emittiert werden kann, was effektiv die Übersetzung des Signals von einer Form in die andere bewirkt.

Das Experiment war erfolgreich bei der Erzeugung dieser Konvertierung, wenngleich der Prozess derzeit noch recht schwach ist. Das Team maß eine interne Effizienz von $2 \times 10^{-8}$, was bedeutet, dass von jeweils einhundert Millionen eingesendeten Mikrowellenphotonen nur ein winziger Bruchteil als konvertierte optische Photonen austrat. Trotz dieser niedrigen Zahl war das Ergebnis signifikant, da es bewies, dass der Mechanismus in einem kontinuierlichen Datenstrom funktioniert und nicht nur in kurzen Impulsen. Das System arbeitete mit einer Bandbreite von 200 Kilohertz, einem Maß dafür, wie viele Informationen es gleichzeitig verarbeiten kann. Entscheidend war, dass all dies ohne Anwendung eines externen Magnetfeldes geschah, indem es sich stattdlich auf die natürliche interne Struktur der Ytterbium-Atome verließ, um die notwendigen Energieniveaus für die Konvertierung zu erzeugen.

Um zu verstehen, warum die Konvertierung funktionierte, untersuchten die Forscher, wie die Atome im Kristall mit dem Mikrowellenfeld interagierten. Sie beobachteten ein Phänomen, das als „Avoided Crossing“ (vermiedene Kreuzung) bekannt ist, bei dem sich die Energieniveaus der Atome und des Resonators abstoßen, wenn sie nahe an die gleiche Frequenz kommen. Diese Abstoßung ist ein klares Zeichen dafür, dass das Mikrowellenfeld und die Atomspins stark gekoppelt sind und Energie schneller hin und her austauschen, als sie an ihre Umgebung verlieren könnten. Durch die Messung der Lücke zwischen diesen Energieniveaus berechnete das Team eine Kopplungsstärke von 850 Kilohertz. Diese starke Verbindung bestätigte, dass der Kristall nicht nur passiv im Mikrowellenfeld saß, sondern aktiv am Quantenaustausch teilnahm, der für die Transduktion erforderlich ist.

Das Team untersuchte auch, wie viele Atome tatsächlich am Prozess beteiligt waren. Durch Erhöhung der Leistung des Mikrowellensignals stellten sie einen Punkt fest, an dem die Erhöhung der Leistung die Konvertierung nicht mehr steigerte, sondern das Signal sogar absinken ließ. Dieser Sättigungspunkt deutet darauf hin, dass die Atome vollständig angeregt worden waren und keine weitere Energie mehr absorbieren konnten. Aus diesem Verhalten schätzten sie, dass nur ein winziger Bruchteil der Atome im Kristall, etwa eins zu tausend, in einem gegebenen Moment genutzt wurde. Dies deutete darauf hin, dass der aktuelle Aufbau nicht das volle Potenzial des Materials ausschöpfte, wahrscheinlich weil der Laserstrahl zu breit und das Mikrowellenfeld über ein großes Volumen verteilt war.

Mit Blick auf die Zukunft nutzten die Forscher ihre Daten, um zu berechnen, was passieren würde, wenn sie das System optimieren würden. Sie fanden heraus, dass allein die Erhöhung der Ytterbium-Konzentration im Kristall von 5 Teilen pro Million auf 50 Teile pro Million die Effizienz erheblich steigern könnte. Sie schlugen auch vor, dass eine stärkere Fokussierung des Laserstrahls und eine Verbesserung der elektrischen Verbindungen des Resonators zu weiteren Gewinnen führen könnten. Basierend auf diesen Berechnungen sagen sie voraus, dass die interne Effizienz mit diesen Anpassungen auf $10^{-4}$ steigen könnte. Obwohl dies immer noch eine kleine Zahl ist, stellt sie eine tausendfache Verbesserung gegenüber ihren bisherigen Ergebnissen dar und bringt die Technologie näher an ein Niveau, das für reale Quantennetzwerke nützlich sein könnte.

Die Arbeit zeigt, dass Ytterbium-dotierte Kristalle ein lebensfähiger Kandidat für die Quantentransduktion sind, insbesondere weil sie ohne die Magnetfelder funktionieren, die anderen Materialien Probleme bereiten. Die Forscher haben gezeigt, dass die grundlegende Physik funktioniert, dass die Atome stark an das Mikrowellenfeld gekoppelt werden können und dass die Konvertierung kontinuierlich stattfinden kann. Während die aktuelle Effizienz niedrig ist, ist der Weg zur Verbesserung klar. Durch die Verfeinerung der Kristallzusammensetzung und des optischen Aufbaus könnte diese Plattform schließlich als Brücke dienen, die es den leistungsstarken Quantencomputern der Zukunft ermöglicht, die Sprache des Lichts zu sprechen und sich mit einem globalen Quanteninternet zu verbinden.