Ytterbium:Revolutionierung von Quantennetzwerken über große Entfernungen

• Materialien auf Ytterbiumbasis können Quantensignale verstärken, um sie über große Entfernungen zu verbreiten.
• Das Material kann Photonen (die Quantendaten tragen) vor äußeren Störungen schützen, sodass sie synchronisiert werden können.

Quantenkryptographie ist ein Versuch, Benutzern die Kommunikation über sicherere Techniken zu ermöglichen, als dies bei der herkömmlichen Kryptographie der Fall ist. Derzeit nutzt es Glasfaserkabel über Hunderte von Kilometern und ermöglicht die Durchführung zahlreicher kryptografischer Aufgaben, die mit herkömmlichen Kommunikationssystemen nachweislich nicht möglich sind.

Es ist unmöglich, das in einem Quantenzustand kodierte Signal zu kopieren:Wenn jemand versucht, die kodierten Daten zu lesen, ändert es den Zustand (verschwindet). Diese Tatsache hält Forscher jedoch auch davon ab, das Signal zu verstärken, um es über größere Entfernungen zu verbreiten. Die größte Herausforderung besteht darin, einen Speicher aufzubauen, der vom Licht übertragene Quantendaten speichern kann.

Jetzt haben Forscher der Universität Genf in der Schweiz ein Element gefunden, das die fragilen Quantendaten speichern kann, ohne sie bei hohen Frequenzen zu verzerren.

Suche nach dem richtigen Material für Quantenspeicher

Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, Quantenspeicher zu schaffen, die Quantensignale wiederholen können, indem sie Photonen halten und synchronisieren, sodass sie sich über größere Entfernungen ausbreiten können.

Um solche Quantenspeicher aufzubauen, müssen wir ein geeignetes Material finden, das in der Lage ist, Photonen (die Quantendaten tragen) einige Sekunden lang vor äußeren Störungen zu schützen, damit sie synchronisiert werden können.

Da sich die Photonen in einer Sekunde 186.282 Meilen pro Sekunde fortbewegen, mussten Forscher ein Material finden, das gut von Umwelteinflüssen isoliert ist und effizient bei hohen Frequenzen arbeiten kann – zwei Eigenschaften, die in einem einzelnen Material schwer zu finden sind.

Wir haben bereits einige Prototypen, die auf seltenen Materialien wie Praseodym oder Europium basieren, aber sie sind nicht sehr effizient. Daher richteten die Forscher ihr Interesse auf das Element, das bisher nicht intensiv untersucht wurde:Ytterbium.

Referenz:Naturmaterialien | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Universität Genf

Wie nützlich ist Ytterbium?

Sie fanden heraus, dass Ytterbium Atome von ihrer Umgebung isolieren kann, die dazu neigen, das Signal zu verzerren, was es zu einem perfekten Kandidaten für Quantenrepeater macht.

Das Team entdeckte einen „magischen Punkt“, indem es die Richtung und Amplitude des Magnetfelds änderte. Genau an diesem Punkt werden die Kohärenzzeiten von Ytterbiumatomen um das Tausendfache erhöht, während sie bei hohen Frequenzen arbeiten.

Ytterbiumkristall auf 270,15 Grad Celsius abgekühlt

Sie haben gezeigt, dass es möglich ist, sowohl die Spin- als auch die optische Kohärenzzeit gleichzeitig zu verbessern, indem die Übergangsgradienten durch extrem niedrige magnetische Vormagnetisierungsfelder reduziert werden oder indem induzierte Taktübergänge bei Nullfeld verwendet werden. Es ist auf jedes elektronische Spinsystem mit Hyperfeinwechselwirkungen und anisotropem Zeeman anwendbar.

Forscher entwickeln derzeit Quantenspeicher auf Ytterbiumbasis, die schnelle Übergänge von einem Repeater zum anderen unterstützen und gleichzeitig den Photonenzustand etwa eine Sekunde lang halten können, um die Synchronisierung zu ermöglichen.

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Das Material verfügt über zahlreiche einzigartige Eigenschaften, wie optisch aufgelöste optisch-hyperfeine Übergänge, einfache Hyperfeinmannigfaltigkeit und lange Kohärenzzeiten, was es zu einem perfekten Kandidaten für Quantendatenanwendungen macht. Darüber hinaus kann es für Anwendungen in Quantenspeichern und für die Kopplung an supraleitende Qubits im Mikrowellenbereich verwendet werden.