Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

Die Zukunft des Internets könnte von einem Gerät abhängen, das in der Lage ist, ein einzelnes Lichtteilchen einzufangen, es für einen Moment stillzuhalten und es dann wieder loszulassen, ohne es zu zerstören. Das heutige globale Netzwerk basiert auf Glasfaserkabeln, die Informationen als Lichtpulse übertragen, aber während diese Signale reisen, werden sie schwächer und verblassen. In der klassischen Welt lösen Ingenieure dies durch Verstärker, die das Signal verstärken, aber die Regeln der Quantenphysik verbieten dies. Aufgrund eines grundlegenden Gesetzes, das das perfekte Kopieren unbekannter Quantenzustände verhindert, können diese fragilen Signale nicht verstärkt werden, ohne die Information, die sie tragen, zu zerstören. Um ein Quanteninternet zu bauen, das über lange Distanzen funktioniert, müssen Wissenschaftler stattdessen „Repeater“ verwenden, die als Relaisstationen fungieren. Diese Stationen benötigen eine spezielle Art von Speicher, der in der Lage ist, einen Quantenzustand vorübergehend zu speichern, auf das nächste Glied in der Kette zu warten und die Information dann auf Befehl wieder freizugeben. Die Herausforderung besteht darin, diese Speicher so zu bauen, dass sie klein, robust und ohne extreme Kälte oder massive Mengen an Energie betrieben werden können, um sie für den realen Einsatz geeignet zu machen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie setzten sich Forscher zum Ziel, ein kommerzielles, tragbares Gerät zu testen, das genau diesen Zweck erfüllen soll. Das Team, das mit einem System auf Basis von warmem Rubidiumdampf arbeitete, untersuchte, wie gut dieser „Quantenspeicher“ Lichtpulse unter verschiedenen Bedingungen speichern und abrufen konnte. Das Gerät verwendet eine Wolke aus Rubidiumatomen, die auf kontrollierbare Temperaturen erhitzt wird, um Licht einzufangen. Durch die sorgfältige Abstimmung der Temperatur des Dampfes und des Timings der Lichtpulse maßen die Forscher drei kritische Leistungsmetriken: wie lange der Speicher das Licht halten konnte, bevor es verblasste, wie effizient es das gespeicherte Signal abrief und wie klar das Signal vom Hintergrundrauschen unterschieden werden konnte. Sie berechneten auch die Fehlerrate, die misst, wie oft das System die Daten missverstehen könnte. Das Ziel war zu sehen, ob diese tragbare Technologie die strengen Standards erfüllen kann, die bereits für die klassischen Glasfasernetze gelten, die unser heutiges Internet antreiben.

Die Forscher konzentrierten sich auf eine spezifische Art der Wechselwirkung, die als elektromagnetisch induzierte Transparenz bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich dabei um einen Prozess, bei dem zwei Laserstrahlen verwendet werden, um eine normalerweise opake Atomwolke für einen spezifischen Lichtpuls transparent zu machen. Ein Strahl fungiert als Kontrollstrahl, während der andere die Information trägt. Wenn der Kontrollstrahl aktiv ist, lassen die Atome den Informationsstrahl passieren. Indem man den Kontrollstrahl ausschaltet, während sich der Informationspuls innerhalb der Wolke befindet, wird das Licht effektiv gestoppt und als Muster atomarer Anregungen gespeichert. Um die Information abzurufen, wird der Kontrollstrahl wieder eingeschaltet, wodurch der Lichtpuls freigesetzt wird. Das Team testete diesen Prozess mit einem kommerziellen, in ein Rack montierbaren System, das mit Rubidiumgas gefüllt war, wobei die Zelle auf verschiedene Temperaturen zwischen 60 und 90 Grad Celsius erhitzt wurde. Sie sandten Lichtpulse ein und maßen, wie viel des ursprünglichen Signals nach verschiedenen Speicherzeiten, die von einigen Mikrosekunden bis zu mehreren hundert reichten, wieder herauskam.

Die Ergebnisse zeigten ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Temperatur und Leistung. Als die Forscher die Temperatur des Dampfes erhöhten, bewegten sich die Atome schneller. Dies erhöhte zwar die Anzahl der Atome, die mit dem Licht interagieren können, führte aber auch zu mehr Rauschen und verursachte ein schnelleres Verblassen der gespeicherten Information. Die Studie fand heraus, dass der Speicher das Licht bei der niedrigsten getesteten Temperatur von 60 Grad Celsius am längsten halten konnte, wobei das Signal etwa 278 Mikrosekunden lang kohärent blieb. Die Effizienz des Systems – also wie viel des ursprünglichen Lichts erfolgreich abgerufen wurde – folgte jedoch nicht demselben Muster. Das System arbeitete bei 70 Grad Celsius am besten, wo es den höchsten Prozentsatz des gespeicherten Lichts abrief. Als die Forscher das Signal-Rausch-Verhältnis betrachteten, ein Maß dafür, wie sauber das abgerufene Signal im Vergleich zum Hintergrundrauschen war, fanden sie die beste Leistung bei der höchsten Temperatur von 90 Grad Celsius.

Vielleicht am bedeutendsten ist, dass das Team diese physikalischen Messungen in die Sprache der Standard-Telekommunikation übersetzte. Sie berechneten die Bitfehlerrate, die uns sagt, wie viele Fehler das System machen würde, wenn es digitale Daten senden würde. Für ein System, das in einem echten Netzwerk nützlich sein soll, muss diese Fehlerrate extrem niedrig sein. Die Studie zeigte, dass das Gerät bei Temperaturen über 60 Grad Celsius und für Speicherzeiten von bis zu 50 Mikrosekunden Fehlerraten lieferte, die weit unter der Schwelle liegen, die für moderne Telekommunikationsnetze erforderlich ist. Tatsächlich erreichte das System bei kurzen Speicherzeiten Fehlerraten von weniger als eins zu zehn Milliarden, ein Zuverlässigkeitsniveau, das den Standards unseres heutigen klassischen Internets entspricht. Die Forscher merkten an, dass das System bei einer Wellenlänge von 795 Nanometern arbeitet, was nicht dem Standard für die Langstrecken-Glasfaseroptik entspricht, die Technologie aber durch Wellenlängenkonversionstechniken angepasst werden kann, um mit der bestehenden Infrastruktur zu arbeiten.

Die Arbeit legt nahe, dass tragbare Quantenspeicher auf Basis von warmem Atomdampf nicht nur theoretische Konzepte sind, sondern sich der Leistungsfähigkeit nähern, die für den praktischen Einsatz erforderlich ist. Die Studie fand keine einzelne „perfekte“ Temperatur für alle Aufgaben; stattdessen identifizierte sie ein Betriebsfenster, in dem verschiedene Leistungsziele erreicht werden konnten. Wenn die Priorität darin besteht, das Signal lange zu halten, ist eine kühlere Temperatur besser. Wenn das Ziel darin besteht, das Signal mit der höchsten Effizienz oder der reinsten Qualität abzurufen, sind wärmere Temperaturen vorzuziehen. Diese Flexibilität ist ein entscheidender Schritt nach vorn und deutet darauf hin, dass diese Geräte so abgestimmt werden können, dass sie den spezifischen Anforderungen eines Quantennetzwerks entsprechen. Indem sie zeigten, dass ein tragbares Warmdampf-System die strengen Benchmarks der klassischen Kommunikation erfüllen kann, haben die Forscher einen klaren Weg zur Integration von Quantenspeichern in das zukünftige Internet aufgezeigt und damit die Brücke zwischen fragilen Quantenzuständen und den robusten Netzwerken, die unsere Welt verbinden, geschlagen.