Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Informationen nicht durch elektrische Ströme in Drähten, sondern durch einzelne Lichtteilchen getragen werden. Diese Teilchen, bekannt als Photonen, sind die idealen Boten für ein neues Arten von Internet, das eine unknackbare Sicherheit und beispiellose Rechenleistung verspricht. Doch das Licht hat einen fatalen Makel: Es kann nicht angehalten werden. Sobald ein Photon in ein Glasfaserkabel geschickt wurde, reist es, bis es verloren geht oder absorbiert wird. Es kann nicht warten. Dies macht den Aufbau eines globalen Netzwerks unmöglich, da Signale über die Distanz schwächer werden, und im Gegensatz zu einem herkömmlichen Signal, das kopiert und verstärkt werden kann, kann ein Quantensignal nicht kopiert werden, ohne seine empfindlichen Informationen zu zerstören. Um dies zu lösen, benötigen Wissenschaftler eine Möglichkeit, ein fliegendes Photon einzufangen, es stillzuhalten und es später exakt so wieder freizusetzen, wie es war. Dieses Gerät wird als Quantenspeicher bezeichnet. Er fungiert als Pausetaste für das Licht und ermöglicht es dem Netzwerk, seine Abläufe zu synchronisieren und seine Reichweite über Kontinente hinweg auszudehnen.

Jahrelang haben Forscher nach dem perfekten Material gesucht, das als diese Pausetaste dienen kann. Sie brauchten etwas Festes, das leicht zu bauen ist und in der Lage ist, einen Quantenzustand für lange Zeit zu halten, ohne dass dieser verblasst. Ein vielversprechender Kandidat ist aus der Welt der Kristalle hervorgegangen: Seltenerd-Ionen. Dies sind Atome von Elementen wie Europium oder Praseodym, die in ein Kristallgitter eingebettet wurden. Das Besondere an diesen Atomen ist, dass ihre äußeren Schichten wie ein Schild wirken und ihre inneren Elektronen vor der verrauschten Umgebung des Kristalls schützen. Dieser Schutz ermöglicht es ihnen, ihren Quantenzustand für überraschend lange Zeiträume festzuhalten. Doch selbst mit diesem natürlichen Schutz stört die Umgebung dennoch. Winzige Schwankungen in Magnetfeldern, verursacht durch die zufällige Bewegung von Atomen im Kristall oder das Erdmagnetfeld selbst, führen dazu, dass die gespeicherten Informationen durcheinandergebracht werden und verschwinden.

Ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China hat nun einen großen Schritt unternommen, um diese Interferenz zu bändigen. In einer umfassenden Übersicht aktueller Experimente beschreiben sie, wie es Forschern gelungen ist, die Lebensdauer dieser Quantenspeicher von Sekunden auf Minuten und in einigen Fällen sogar auf Stunden zu verlängern. Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in zwei klugen Strategien. Erstens identifizierten sie eine spezifische Magnetfeldstärke, bei der die Atome natürlich immun gegen magnetisches Rauschen werden. Es ist, als ob die Atome einen „Sweet Spot“ finden, an dem sich das magnetische Drücken und Ziehen perfekt aufhebt. Zweitens, wenn die Atome beginnen zu driften, wenden Forscher eine schnelle Serie von Radiofrequenzpulsen an. Diese Pulse wirken wie ein sanfter Stoß, der die Atome ständig neu ausrichtet, bevor sie die Orientierung verlieren, was die Information effektiv einfriert.

Die Ergebnisse dieser Arbeit werden auf drei verschiedene Arten gemessen, die jeweils ein unterschiedliches Schwierigkeitsniveau darstellen. Das erste Maß ist die „Spin-Kohärenzzeit“, die schlicht beschreibt, wie lange die Atome ihre Quantenausrichtung halten können, bevor sie beginnen, auseinanderzudriften. Durch die Verwendung von Kristallen, die mit Europium-Ionen dotiert sind, und die Anwendung des magnetischen Sweet Spots zusammen mit den Neuausrichtungs-Pulsen, erreichten Forscher eine rekordverdächtige Kohärenzzeit von fast sechs Stunden. Das bedeutet, dass die Atome über eine Dauer synchronisiert blieben, die weit über jedem bisherigen Experiment mit dieser Art von Material lag.

Das zweite Maß ist die „Lichtspeicherzeit“. Dies ist die Dauer, für die ein tatsächlicher Lichtstrahl eingefangen, als Vibration innerhalb der Atome gespeichert und dann wieder als Licht freigesetzt werden kann. In früheren Experimenten mit Praseodym-Ionen gelang es Wissenschaftlern, Licht etwa 42 Sekunden lang zu speichern. Durch den Wechsel zu den stabileren Europium-Kristallen und die Verwendung einer anderen Speichermethode, die auf einem spezifischen Muster atomarer Energieniveaus beruht, erweiterten Forscher diese Zeit auf über 52 Minuten. Sie demonstrierten, dass ein Lichtpuls fast eine Stunde lang gehalten und dann mit seinem Wellenmuster intakt zurückgewonnen werden konnte, was bewies, dass die Information nicht durcheinandergebracht worden war.

Die schwierigste Herausforderung, die uns dem funktionierenden Quanteninternet am nächsten bringt, ist die „Quantenspeicherzeit“. Hierbei geht es nicht nur darum, einen hellen Lichtstrahl zu speichern, sondern ein einzelnes Lichtteilchen, oder ein einzelnes Photon. Das Speichern eines einzelnen Photons ist unglaublich schwer, weil der Prozess so effizient und geräuscharm sein muss, dass kein zusätzliches Rauschen hinzugefügt wird, sonst geht das einzelne Photon im statischen Rauschen verloren. Bisherige Versuche hatten Schwierigkeiten, ein einzelnes Photon länger als ein paar Millisekunden zu speichern. Die Forscher unter der Leitung von Lv et al. konnten jedoch durch die Kombination des magnetischen Sweet Spots, der Neuausrichtungs-Pulse und einer neuen Methode, die vermeidet, während des Speichervorgangs zusätzliches Rauschen zu erzeugen, einzelne Photon-Eingänge für über 27 Sekunden speichern. Bei dieser Dauer behielt das gespeicherte Photon seine Quantennatur bei, was bewies, dass es sich nicht nur um ein klassisches Signal, sondern um ein echtes Quantengedächtnis handelte.

Diese Errungenschaften sind nicht nur theoretische Meilensteine; sie deuten auf eine praktische Zukunft hin. Die Forscher merken an, dass diese Kristalle mit bestehender Technologie kompatibel sind, was bedeutet, dass sie in kleine Geräte integriert werden könnten. Dies öffnet die Tür für „transportable Quantenspeicher“, bei denen ein Gerät, das einen Quantenspeicher enthält, auf einen LKW, eine Drohne oder einen Satelliten geladen werden könnte, um Quanteninformationen zwischen fernen Städten oder sogar durch den Weltraum zu transportieren. Die Fähigkeit, einen Quantenzustand eine Stunde lang zu halten, bedeutet, dass ein Fahrzeug hunderte von Kilometern reisen könnte, während es die Information sicher bewahrt und somit Lücken überbrückt, die Glasfaserkabel nicht überwinden können. Während Herausforderungen bestehen bleiben, wie etwa die Verbesserung der Effizienz beim Einfangen des Lichts und die Verkleinerung der Ausrüstung, etabliert diese Arbeit, dass langlebige, festkörperbasierte Quantenspeicher kein ferner Traum mehr sind, sondern eine greifbare Realität.