A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

Um eine Zukunft aufzubauen, in der Informationen weltweit augenblicklich und sicher reisen, benötigen Wissenschaftler eine Möglichkeit, Licht anzuhalten. In der Quantenwelt werden Informationen oft von einzelnen Lichtteilchen getragen, aber diese Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und verschwinden, wenn sie auf irgendetwas treffen. Um diese Daten zu verarbeiten oder über lange Strecken zu senden, benötigen Forscher einen „Speicher“, der ein fliegendes Photon auffangen, es einen Moment lang ruhig halten und dann exakt so wieder freigeben kann, wie es war. Dabei geht es nicht nur darum, eine Datei zu speichern; es geht darum, die empfindlichen, unsichtbaren Muster der Quantenzustände zu bewahren, die Technologien wie unknackbare Kommunikation und ultrapräzise Sensorik erst möglich machen. Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, das diese flüchtigen Teilchen auffangen kann, ohne ihre Quantennatur zu zerstören, und das gleichzeitig schnell genug ist, um das rasante Tempo moderner Daten zu bewältigen.

Ein Forschungsteam hat eine neue Methode vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen, indem es ein festes Stück Glas oder Kristall verwendet, das als kontinuierliche Autobahn für sowohl Licht als auch Schall dient. Anstatt zu versuchen, Licht in einer winzigen, isolierten Box einzufangen, was die Menge der gleichzeitig gespeicherten Informationen begrenzt, nutzt ihr Ansatz einen langen, dünnen Wellenleiter, in dem Licht- und Schallwellen gemeinsam wandern. In diesem System fungiert ein Laserlichtpuls als Brücke, der ein wanderndes Photon in eine wandernde Schallwelle, bekannt als Phonon, und wieder zurück umwandelt. Dieser Prozess beruht auf einer spezifischen Wechselwirkung namens Brillouin-Streuung, bei der die Energie eines Photons mit der Energie einer Schallwelle ausgetauscht wird. Die Forscher zeigten, dass sie durch eine sorgfältige zeitliche Abstimmung dieser Wechselwirkungen einen Quantenzustand von Licht auf Schall übertragen, ihn dort für eine kurze Zeit ruhen lassen und ihn dann wieder als Licht abrufen können, und das alles, ohne die extremen, nahe am absoluten Nullpunkt liegenden Temperaturen zu benötigen, die normalerweise für solch empfindliche Arbeit erforderlich sind.

Der Kern dieses Vorschlags ist ein zweistufiger Prozess, der wie ein reversibler Schalter funktioniert. Zuerst tritt ein starker Laserlichtpuls in den Wellenleiter ein und trifft auf ein schwaches Signal, das die Quanteninformation trägt. Diese Wechselwirkung zwingt das Signal dazu, sich in eine Schallwelle zu verwandeln, die durch das Material wandert. Das Signal ist nun als Vibration innerhalb des festen Mediums gespeichert. Nach einer programmierbaren Verzögerung trifft ein zweiter Laserpuls ein, um den Prozess umzukehren, indem er die Schallwelle wieder in einen Lichtpuls verwandelt, der die ursprüngliche Information trägt. Da das System mit wandernden Wellen anstelle von in einer Kavität gefangenen Teilchen arbeitet, kann es ein sehr breites Spektrum an Frequenzen gleichzeitig verarbeiten. Dies bedeutet, dass der Speicher viele verschiedene Signale gleichzeitig speichern kann, eine entscheidende Eigenschaft für die Skalierung von Quantennetzwerken.

Die Forscher nutzten detaillierte Computersimulationen, um zu testen, wie gut dieses System mit realen Materialien funktionieren würde. Sie modellierten das Verhalten der Licht- und Schallwellen unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich unterschiedlicher Temperaturen und Intensitäten der Wechselwirkung. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass das System komplexe Quantenzustände, wie etwa „gequetschtes“ Licht, bei dem das Rauschen im Signal unter das Standardlimit reduziert ist, mit sehr hoher Genauigkeit speichern und abrufen kann. Selbst bei Temperaturen von einem Kelvin, was nur ein Grad über dem absoluten Nullpunkt ist, aber viel wärmer als die Millikelvin-Temperaturen, die oft für Quantengeräte benötigt werden, behielt der Speicher die Quanteninformation mit hoher Fidelität (Treue). Die Simulationen zeigten, dass das System effektiv für Speicherzeiten von einigen zehn Nanosekunden arbeiten konnte, was ausreicht, um Daten für viele fortgeschrittene Anwendungen zu verarbeiten.

Eine zentrale Erkenntung dieser Arbeit ist, dass das System nicht verlangt, dass die Schallwellen vor der Speicherung der Information in ihren niedrigstmöglichen Energiezustand abgekühlt werden. In vielen Quantensystemen zerstört jede verbleibende Wärme oder Vibration im Material die empfindliche Quanteninformation. Da dieses Protokoll jedoch auf einem schnellen, kohärenten Austausch zwischen Licht und Schall beruht, bleibt der Speicher selbst dann robust, wenn die Schallwellen nicht perfekt kalt sind. Die Forscher fanden heraus, dass das System die thermischen Hintergrundgeräusche überwinden kann, solhin die Wechselwirkung zwischen Licht und Schall stark genug ist. Dies deutet darauf hin, dass die Technologie wesentlich einfacher zu bauen und zu betreiben sein könnte als bisherige Ansätze, da sie nicht die extremste Kühltechnik erfordert.

Die Studie untersuchte auch, wie gut der Speicher Verschränkung bewahrt, ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen unabhängig von der Entfernung miteinander verbunden bleiben. In den Simulationen wurde eine Hälfte eines verschränkten Paares in den Speicher gesendet, während die andere Hälfte als Referenz außerhalb gehalten wurde. Nachdem die erste Hälfte als Schallwelle gespeichert und dann wieder als Licht abgerufen wurde, blieb die Verbindung zwischen den beiden Teilchen intakt. Die Simulationen zeigten, dass die Stärke dieser Verbindung, bekannt als Negativität, hoch genug blieb, um zu bestätigen, dass die Quantennatur des Paares bewahrt wurde. Dies demonstriert, dass das System in der Lage ist, selbst die fragilsten Formen der Quanteninformation zu handhaben, nicht nur einfache Signale.

Der vorgeschlagene Speicher ist darauf ausgelegt, mit einer Bandbreite von Hunderten von Megahertz zu arbeiten, was es ermöglicht, eine große Menge an Daten parallel zu verarbeiten. Dies ist eine signifikante Verbesserung gegenüber Systemen, die auf diskreten, isolierten Moden basieren, welche jeweils nur eine Frequenz gleichzeitig verarbeiten können. Durch die Verwendung eines kontinuierlichen Mediums zeigten die Forscher, dass das System in der Lage ist, Informationen über ein breites Frequenzspektrum gleichzeitig zu speichern. Diese Fähigkeit öffnet die Tür zur multimodalen Quantensignalverarbeitung, bei der viele verschiedene Informationskanäle gleichzeitig verwaltet werden können. Die Simulationen legeten nahe, dass ein solches System mit aktueller Technologie und Wellenleitern mit spezifischen optischen Eigenschaften die Ergebnisse unter Verwendung von Laserpulsen mit Spitzenleistungen erzielen könnte, die in einem Labor praktikabel sind.

Obwohl die präsentierten Ergebnisse auf theoretischen Modellen und Simulationen basieren, weisen sie auf einen praktischen Weg zum Bau skalierbarer Quantenspeicher hin. Die Forscher merkten an, dass in echten Experimenten die Speicherzeit potenziell noch weiter verlängert werden könnte, falls das verwendete Material geringere mechanische Verluste aufweist, was bei niedrigeren Temperaturen oft der Fall ist. Sie hoben auch hervor, dass die Fähigkeit des Systems, bei Sub-Kelvin-Temperaturen zu arbeiten, anstatt tiefste kryogene Umgebungen zu benötigen, es zu einem lebensfähigeren Kandidaten für die Integration in zukünftige Quantennetzwerke macht. Die Arbeit identifiziert einen spezifischen Typ eines optoakustischen Systems als eine vielversprechende Plattform für die nächste Generation der Quantentechnologien, die einen Weg bietet, lichtbasierte Informationen mit Geschwindigkeit, Kapazität und Zuverlässigkeit zu speichern und zu verarbeiten.