Ein Quantensprung für ultrapräzise Messungen und Informationskodierung?

Die Quanteninformatik verspricht große Fortschritte in der Metrologie sowie im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). Doch da Quantenzustände kontrollierbar gemacht werden müssen, damit dieser Ansatz gegenüber anderen von Vorteil ist, stellt es noch eine besondere Herausforderung dar, das Potenzial dieser Technologie auszuschöpfen. Sogenannte „Gequetschte Zustände in kontinuierlich variablen Systemen“ wurden als ein Ansatz postuliert, um Quantenzustände besser steuern zu können. Dies liegt zum Teil darin begründet, dass diese Systeme vermutlich skalierbar sind.

Im EU-finanzierten Projekt QCUMBER (Quantum Controlled Ultrafast Multimode Entanglement and Measurement) wurde die Anwendung solcher gequetschter Zustände (oder Multiphotonen-Zustände) in verschiedenen Zeitmodi mithilfe integrierter optischer Geräte erforscht. In einer wissenschaftlichen Arbeit, die kürzlich in der Fachzeitschrift „Philosophical Transactions of the Royal Society A“ veröffentlicht wurde, untersuchen die Forscher die aktuellen Grenzen der Wellenleiterquetschung und die Verlustlimits im Konversionsprozess.

Verschränkung gequetschter Zustände

Die Autoren des Papers merken an, dass bei verlustarmen Wellenleitern, sehr effizienten Photonenzählern und nicht-linearen Prozessen in den letzten Jahrzehnten wesentliche Fortschritte erzielt wurden. Außerdem können inzwischen, dank des Erfolgs des nicht-linearen optischen Verfahrens „Engineered Sum Frequency Conversion“, willkürliche zeitliche Breitbandmodi erreicht werden. So wird ein ausreichend breites Spektrum erzielt, um die Kodierung von Informationen zu ermöglichen, oft innerhalb der zeitlichen Modi eines einzelnen Photons.

In QCUMBER wurde der Ausblick untersucht, innerhalb eines Wellenleitersystems sowohl gequetschte als auch modusselektive Frequenzkonversion zu kombinieren. Indem sie eine Analogie zwischen den Quantum Pulse Gates (QPGs; grundelegende Quantenschaltkreise) und räumlichen Netzwerken schufen, visualisierten die Forscher den Prozess zur Verschränkung gequetschter Zustände oder Bildung komplexer multimodaler kontinuierlich variabler Zustände.

Hinsichtlich der Lichtquetschung, die in einem einläufigen KTP-Wellenleiter mit einem Modus erreicht werden kann, stellte das Team fest, dass eine Quetschung von bis zu 20 Dezibel möglich ist, die Komplexität dieses Vorgangs jedoch zu deutlichen Verlusten führte und die Konversionseffizienz auf unter 90 % drückte. Sie weisen jedoch darauf hin, dass diese Erkenntnis für die Zukunft der Technologie interessant sein könnte. Sie argumentieren, dass dies für Anwendungen, bei denen auch eine geringe Konversionseffizienz ausreichend ist, kein Problem darstellt und dass eine Phasenanpassung mithilfe eines einfachen Modells erreicht werden kann, ohne dass Energie für optisches Pumpen aufgewendet werden muss.

In dem Spektralbereich erreichte das Team zudem eine Verschränkung im Frequenzkamm einer kontinuierlichen Welle von 60 zeitlichen Modi und von etwa 10 Modi in einem gepulsten ultraschnellen System. Sie berichten, dass, sobald mit der Quetschung bestimmte Schwellenwerte erreicht werden, die Fehlerkorrektur für Quantencomputer möglich wird, was einen erheblichen wissenschaftlichen Fortschritt darstellen würde.

Nutzung extremer Zeitskalen und breiter Spektren

Ultrakurze Lichtimpulse ermöglichen, die zugrunde liegende Systemdynamik bei Zeitskalen von sehr kurzer Dauer besser zu verstehen. Durch die Nutzung der Quanteneigenschaften des Lichts vertieften wir unser grundlegendes, empirisch gesammeltes physikalisches Wissen. So wurde wesentlich zur Erforschung von Quantenkommunikation und Quantenmetrologie beigetragen. Tatsächlich wurde Hochpräzisionsmetrologie bereits durch Nutzung der breiten Frequenzkammstruktur möglich, die mit ultrakurzen Lichtimpulsen erzeugt wird.

Das Projekt QCUMBER wurde ins Leben gerufen, um weiter an Möglichkeiten zu forschen, die mit den Quanteneigenschaften von Licht in extremen Zeitskalen und über äußerst breite Spektren zusammenhängen. Dank der Struktur ultrakurzer Quantenimpulse können immer genauere Zeit-Frequenz-Messungen vorgenommen und Innovationen für skalierbare Quanteninformationsverarbeitung geleistet werden.

Weitere Informationen:
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