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Frequenz-Konverter für Quantenteilchen: Neuer Baustein für die Quantenkommunikation entwickelt

09.10.2014 - (idw) Universität des Saarlandes

Physikerinnen der Saar-Uni um Professorin Giovanna Morigi haben einen neuen Baustein für die Quantenkommunikation entwickelt. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Kaiserslautern schlagen sie ein Verfahren vor, das einen Frequenz-Konverter für einzelne Photonen verwirklicht: Dieser überträgt die Information einzelner Lichtteilchen effizient zwischen Telekom-Glasfaserkabeln und supraleitenden Quantenbits im Mikrowellen-Frequenzbereich und schließt so eine bestehende Lücke in der Quantenkommunikation. Die wissenschaftliche Arbeit wurde im August in Physical Review Letters publiziert. Bereits heute werden mithilfe von Glasfaserkabeln Informationen mit Lichtgeschwindigkeit verschickt. Diese schnelle und robuste Informationsübertragung durch Licht will man in der Quantenwelt erreichen, um sichere Telekommunikation zu gewährleisten. Eine vielversprechende Speichereinheit für die Verarbeitung der Quanteninformation ist das sogenannte supraleitende Quantenbit (Superconducting Qubit). Qubits arbeiten nicht in der Lichtfrequenz der Glasfaserkabel, sondern im Frequenzbereich von Mikrowellen (im cm-Bereich). Diese Wellenlängen sind für die Übertragung über weite Strecken jedoch ungeeignet, da sie leicht absorbiert werden, wodurch Information verloren geht. Die Lücke zwischen der Informationsübertragung per Lichtsignalen und dem Auslesen und Weiterverarbeiten von Daten in Mikrowellen-Frequenzen haben nun Physiker der Universität des Saarlandes geschlossen: Professorin Giovanna Morigi, die auf dem Gebiet der theoretischen Quantenphysik forscht, und ihre Doktorandin Susanne Blum haben gemeinsam mit Forscherkollegen der TU Kaiserslautern ein Verfahren entwickelt, mit dem die Frequenz eines einzelnen Telekom-Photons in die Wellenlänge von Quanten-Bits (Qubits) übertragen werden kann.

Das soll durch die Kopplung an einen Kristall geschehen, in den Metallionen seltener Erden eingebracht wurden. Der Kristall agiert als Quanten-Konverter: Er absorbiert ein Telekom-Photon und emittiert ein Mikrowellen-Photon und umgekehrt, indem seine Kopplung an das Telekomlicht und an das supraleitende Qubit durch maßgeschneiderte Quantendynamik verlustfrei ein- und ausgeschaltet wird.

Das Ausnutzen der Quanten-Interferenz, einer Eigenschaft der Quantendynamik, ist der springende Punkt, der es erlaubt, den Quanten-Konverter zu realisieren, erklärt Susanne Blum, die in ihrer Doktorarbeit an dem Thema forscht. In unserem Protokoll wird die Quanten-Interferenz benutzt, um die Verlustprozesse auf dem Niveau einzelner Photonen gezielt zu unterdrücken, so die Nachwuchsforscherin.

Die Realisierung eines Konverters für einzelne Photonen ist in der gegenwärtigen experimentellen Forschung weltweit sehr wichtig, vor allem in den USA und Kanada, betont Professorin Giovanna Morigi. Auch an der Saar-Universität forschen Wissenschaftler in den Laboren der Professoren Pavel Bushev, Christoph Becher und Jürgen Eschner daran. Anstelle von mit seltenen Erden dotierten Kristallen können auch andere Quanten-Systeme benutzt werden. Allerdings bieten die von uns genutzten Kristalle ausgezeichnete Kontrollmöglichkeiten auf dem Niveau einzelner Photonen, erklärt Morigi. Dieses theoretische Verfahren könne eine bestehende Lücke in dem Bau von Quantennetzwerken schließen.

Veröffentlichung: Phys. Rev. Lett. 113, 063603: Christopher OBrien, Nikolai Lauk, Susanne Blum, Giovanna Morigi, and Michael Fleischhauer: Interfacing Superconducting Qubits and Telecom Photons via a Rare-Earth-Doped Crystal
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.063603

Kontakt:
Prof. Dr. Giovanna Morigi
Universität des Saarlandes, Theoretische Physik

Tel.: +49 681 302-57472 oder -2402 (Sekretariat)
E-Mail: Giovanna.Morigi@physik.uni-saarland.de
http://qphys.uni-saarland.de

Susanne Blum
AG Prof. Dr. Morigi
Tel.: +49 (0)681 302-3777
E-Mail: S.Blum@physik.uni-saarland.de

Hinweis für Hörfunk-Journalisten: Sie können Telefoninterviews in Studioqualität mit Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes führen, über Rundfunk-Codec (IP-Verbindung mit Direktanwahl oder über ARD-Sternpunkt 106813020001). Interviewwünsche bitte an die Pressestelle (0681 302-4582) richten.
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