Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Lichtwissenschaft (MPL) haben bedeutende Fortschritte in der Quantentechnologie erzielt, indem sie eine effiziente Methode zur Kopplung von Photonen mit akustischen Phononen demonstriert haben. Diese Methode zeigt eine außergewöhnliche Resistenz gegen externe Störungen, was in Quantensystemen oft eine Herausforderung darstellt. Ihre Forschung wurde im Journal "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Quantenkopplung: Die Grundlage der Quantentechnologien

Quantenkopplung ermöglicht es, dass der Zustand eines Teilchens den Zustand eines anderen sofort beeinflusst, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Dieses Phänomen ist entscheidend für die Entwicklung sicherer Quantenkommunikationen und fortschrittlicher Quantencomputer. Traditionell wird die Kopplung zwischen Photonen durch nichtlineare optische Prozesse erreicht. Forscher des MPL haben jedoch erfolgreich Photonen mit Phononen, Quasiteilchen, die Schallwellen darstellen, mittels Brillouin-Streuung gekoppelt.

Brillouin-Streuung: Die Brücke zwischen Licht und Klang

Brillouin-Streuung ist ein nichtlinearer optischer Effekt, der die Interaktion zwischen Licht- und Schallwellen innerhalb eines Materials ermöglicht. Durch diesen Prozess können Photonen und Phononen verbunden werden, wodurch hybride Quantensysteme entstehen. Diese Methode bietet eine stabile und effiziente Plattform für Quantenanwendungen, insbesondere in Umgebungen, in denen externe Störungen vorhanden sind.

Resistenz gegen externe Störungen

Einer der Hauptprobleme in der Quantentechnologie ist die Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen, die die Quantenkopplung stören können. Die am MPL entwickelte Methode zeigt eine hohe Resistenz gegen solche Störungen, was für praktische Anwendungen in der Quantenkommunikation und -berechnung entscheidend ist.

Anwendung in der Quantenkommunikation

Die Kopplung von Photonen und Phononen eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Quantenkommunikationssystemen. Phononen können aufgrund ihrer Natur als Quanten-Speicher dienen, während Photonen die Übertragung von Informationen über große Entfernungen ermöglichen. Diese Kombination kann zu effizienteren und sichereren Kommunikationskanälen führen.

Zukunft der Quantencomputer

In der Quanteninformatik ist die Kopplung verschiedener Quantenzustände entscheidend für die Informationsverarbeitung. Die Integration von Photonen und Phononen kann die Entwicklung neuer Quantenlogikschaltungen ermöglichen, die widerstandsfähiger gegen Störungen und effizienter im Betrieb sind.

Praktische Implementierung

Forscher haben gezeigt, dass ihre Methode in optischen Fasern und photonischen integrierten Chips angewendet werden kann. Diese Flexibilität ermöglicht eine breite Anwendung in bestehenden Technologien und erleichtert die Integration in zukünftige Quantensysteme.

Betrieb bei höheren Temperaturen

Einer der bedeutenden Erfolge dieser Methode ist die Fähigkeit, bei höheren Temperaturen als bei Standardansätzen zu arbeiten, die oft teure Geräte wie verdünnte Kühler erfordern. Die am MPL entwickelte Methode kann unter Bedingungen mit Temperaturen bis zu mehreren Zehntel Kelvin verwendet werden, was die Kosten senkt und die Implementierung erleichtert.

Quelle: Max-Planck-Institut für Lichtwissenschaft