Quanten-Netzwerkknoten mit warmen Atomen

Kommunikationsnetzwerke benötigen Knotenpunkte, an denen Informationen aufbereitet oder umgeleitet werden. Physiker der Universität Basel haben nun einen Knotenpunkt für Quanten-Kommunikationsnetzwerke entwickelt, der einzelne Photonen in einer Dampfzelle speichern und später weiterleiten kann.

In Quanten-Kommunikationsnetzwerken werden Informationen von einzelnen Lichtteilchen (Photonen) übertragen. An den Knotenpunkten eines solchen Netzwerks benötigt man dabei Pufferelemente, welche die in den Photonen enthaltenen Quanteninformationen kurzzeitig speichern und danach wieder abgeben können.

Forschende der Universität Basel um Prof. Philipp Treutlein haben einen Quantenspeicher entwickelt, der auf einem atomaren Gas in einer Glaszelle beruht. Die Atome müssen dazu nicht extra gekühlt werden, wodurch der Speicher leicht herzustellen und vielfältig einsetzbar ist, zum Beispiel auch in Satelliten. Zudem haben die Forschenden eine Einzelphotonen-Quelle realisiert, mit der sie die Güte und Speicherzeit des Quantenspeichers testen konnten. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachjournal PRX Quantum veröffentlicht.

Warme Atome in Dampfzellen
«Warme Atome in Dampfzellen werden schon seit zwanzig Jahren auf ihre Tauglichkeit als Quanten-Speicherelement untersucht», sagt Gianni Buser, der als Doktorand an dem Experiment mitgearbeitet hat. «Zumeist wurden dafür aber abgeschwächte Laserstrahlen, also klassisches Licht, benutzt.» Bei solchem klassischem Licht ist die Zahl der Photonen, die in einer gewissen Zeit auf die Dampfzelle treffen, statistisch verteilt – im Mittel ist es nur ein Photon, manchmal sind es aber auch zwei, drei oder gar keines.

Um den Quantenspeicher mit «Quantenlicht» – also immer genau einem Photon – zu testen, haben Treutlein und seine Mitarbeitenden eigens eine Einzelphotonen-Quelle entwickelt, die exakt ein Lichtteilchen abgibt. Wann genau das geschieht, wird durch ein zweites Photon angekündigt, das immer genau gleichzeitig mit dem ersten ausgesendet wird. Dadurch kann der Quantenspeicher im richtigen Moment aktiviert werden.

Das einzelne Photon wird dann in den Quantenspeicher geleitet, wo über eine Milliarde Rubidiumatome unter Mithilfe eines Kontroll-Laserstrahls von dem Photon in einen sogenannten Überlagerungszustand von zwei möglichen Energieniveaus der Atome versetzt werden. Das Photon selbst verschwindet dabei, die in ihm enthaltene Information wird jedoch in die Überlagerungszustände der Atome verwandelt. Mit einem kurzen Lichtpuls des Kontroll-Lasers kann diese Information nach einer gewissen Speicherzeit dann ausgelesen und wiederum in ein Photon zurück gewandelt werden.

Störungen beim Auslesen reduziert
«Ein kritischer Punkt dabei waren bislang Störungen, also zusätzliches Licht, das beim Auslesen erzeugt wurde und die Qualität des Photons beeinträchtigte», erklärt Roberto Mottola, ebenfalls Doktorand in Treutleins Labor. Mit Hilfe einiger Tricks konnten die Physiker diese Störungen so weit reduzieren, dass nach Speicherzeiten von mehreren hundert Nanosekunden die Einzelphotonen-Qualität noch immer hoch war.

«Diese Speicherzeiten sind zwar nicht sehr lang, und wir haben sie für diese Arbeit auch noch nicht optimiert», sagt Treutlein, «doch sie sind bereits jetzt über hundertmal länger als die Dauer des gespeicherten Ein-Photonen-Pulses». Dadurch kann der Quantenspeicher der Basler Forschenden schon jetzt für interessante Aufgaben eingesetzt werden. Zum Beispiel lassen sich mit ihm zufällig produzierte Einzelphotonen miteinander synchronisieren und dann für verschiedene Quanteninformations-Anwendungen nutzen. (Universität Basel)

Originalpublikation
Gianni Buser, Roberto Mottola, Björn Cotting, Janik Wolters, and Philipp Treutlein
Single-Photon Storage in a Ground-State Vapor Cell Quantum Memory
PRX Quantum (2022). doi: 10.1103/PRXQuantum.3.020349
Forschungsgruppe Treutlein