Fortschritte in der Entwicklung von Quantenregistern

Quantencomputing und Kommunikation sind spannende Bereiche, die Fähigkeiten versprechen, die über das hinausgehen, was traditionelle Computer können. Allerdings ist es nicht einfach, grössere Systeme mit vielen Qubits zu erstellen, den grundlegenden Einheiten der Quanteninformation. Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist die Entwicklung eines Quantenetzwerks, in dem kleine Gruppen von Qubits, die als Quantenregister bekannt sind, effektiv miteinander kommunizieren können.

In dieser Studie haben Forscher ein Quantenregister mit optischen Tweezern gebaut, das sind fokussierte Lichtstrahlen, die kleine Teilchen festhalten können, und optischen Gittern, die durch sich überlappende Laserstrahlen Strukturen schaffen, in denen Atome in einer bestimmten Anordnung Platz finden. Dieses Register besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung von Atomen, die sich in einer optischen Kavität befinden, einem Raum, in dem Licht zwischen Spiegeln gefangen ist.

Durch die Verwendung eines speziell ausgerichteten Laserstrahls zur Ansprache einzelner Atome konnte das Team jedes Atom dazu bringen, ein Photon auszusenden, das ist ein Lichtteilchen. Sie haben erfolgreich gezeigt, dass sie Paare von atom-photonen verschränkten Zuständen mit einer sehr hohen Effizienz erzeugen können, die nahe bei 90% liegt. Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung Entwicklung eines Systems, in dem Quanteninformation verarbeitet und über ein Netzwerk geteilt werden kann.

Quanten Netzwerke haben das Potenzial für verschiedene Anwendungen, wie sichere Kommunikation, verteiltes Quantencomputing, präzise Messungen und das Synchronisieren von Uhren. Das vorgeschlagene Design umfasst Knoten mit festen Qubits zur Informationsverarbeitung und optischen Fasern, die sie verbinden, um Quanten Daten auszutauschen.

Allerdings gibt es bei der praktischen Umsetzung Herausforderungen durch Verluste in den optischen Fasern und Fehler, die während der Übertragung auftreten können. Eine vorgeschlagene Lösung ist die Verwendung eines skalierbaren Multi-Qubit-Registers für jeden Knoten. Das ermöglicht verbesserte Kommunikationsmethoden, die diese Verluste ausgleichen und die Zuverlässigkeit durch Techniken wie Verschränkungs-Destillation oder Fehlerkorrektur erhöhen können.

Das Hauptziel ist es, ein Register zu bauen, bei dem jeder Qubit individuell kontrolliert und mit einem Photon verbunden wird, um sich mit dem Quanten Netzwerk zu verbinden. Die Forscher gehen das an, indem sie Techniken aus der Kavitäts-Quanten-Elektrodynamik mit atomaren Technologien kombinieren. Die Kavität fungiert als Brücke, um Atome und Photonen zu verbinden, während das Optische Gitter dafür sorgt, dass die Atome stabil positioniert sind, und die Tweezers erlauben eine schnelle Anordnung der gewünschten Setups.

Obwohl grosse Arrays von optischen Tweezern Register mit Hunderten von Qubits erstellen können, hatten frühere Experimente Schwierigkeiten mit dem notwendigen optischen Zugang für die Tweezers innerhalb der Kavität. Die Bemühungen, Atome mit Tweezers in einer Kavität zu fangen, waren begrenzt, und niemand hatte die Fähigkeit demonstriert, individuelle atomare Qubits zu kontrollieren-eine wichtige Voraussetzung für ein funktionales Quanten Netzwerk.

Durch die Verwendung eines Arrays von optischen Tweezern zusammen mit einem optischen Gitter gelang es dieser Forschung, die individuelle Kontrolle über eine Gruppe von atomaren Qubits zu gewinnen. Die Forscher bildeten eins- und zweidimensionale Register mit bis zu sechs Atomen, indem sie jedes Atom separat ansprachen, um atom-photonen Verschränkte Zustände zu erzeugen. Sie fanden heraus, dass die Fidelity, oder Genauigkeit, der erzeugten verschränkten Zustände stabil blieb, während mehr Qubits hinzugefügt wurden, was darauf hindeutet, dass grössere Systeme aufgebaut werden könnten.

Die Forscher haben eine Multiplexing-Methode implementiert, die es ihnen ermöglichte, atom-photonen Paare mit einer hohen Wahrscheinlichkeit bei jedem Versuch zu erzeugen. Diese Arbeit bringt uns näher an die Erzeugung und den Austausch von verschränkten Zuständen über Quanten Netzwerke, was entscheidend für den Aufbau zukünftiger Quanten Kommunikationssysteme ist.

#Experimenteller Aufbau

Das experimentelle Layout umfasst die Vorbereitung und Kontrolle von zweidimensionalen Arrays von Rubidium-Atomen in der Kavität. Laserstrahlen fokussieren in die Kavität mit Linsen, um einzelne Atome zu manipulieren. Diese Zielgenauigkeit wird durch hochpräzise Geräte, sogenannte akusto-optische Deflektoren, ermöglicht, die die Laser in die genau benötigten Positionen verschieben.

Um die gewünschten Atomkonfigurationen zu erzeugen, beginnt das Experiment mit einem statischen Array von Tweezers, das zufällig kalte Atome aus einer magneto-optischen Falle einfängt. Die Atome werden dann mit Laserstrahlen weiter gekühlt, die eine spezifische Ausrichtung schaffen. Die Forscher machen Bilder von den eingefangenen Atomen und nutzen diese Informationen, um weitere Tweezers hinzuzufügen, die die Atome in die gewünschten geordneten Arrays umarrangieren.

Die Erfolgsquote beim Erhalten eines Sechs-Atom-Arrays verbesserte sich erheblich im Vergleich zu vorherigen Methoden, was den Forschern erlaubte, viele mehr Atome als zuvor zu erfassen.

#Betriebsablauf

Nachdem die Atome vorbereitet wurden, werden sie von den Tweezern in ein zweidimensionales optisches Gitter verschoben, das aus zwei stehenden Wellenfallen besteht. Dieser Prozess gewährleistet eine bessere Einschränkung der Atome in der Kavität, was grössere Arrays als nur mit Tweezers ermöglicht.

Sobald die Atome sicher platziert sind, werden sie mit Laserstrahlen beleuchtet, die ihre Zustandsübergänge steuern. Photonen, die von den Atomen emittiert werden, werden grösstenteils durch die Kavität mit speziellen Nachweisgeräten geleitet, die es den Forschern ermöglichen, die Nachweisbasis der Photonen für optimale Messungen zu wechseln.

Nach der ersten Einrichtung erzeugen die Forscher Paare verschränkter atom-photonen Zustände, indem sie die Atome in den richtigen Zustand pumpen und schrittweise die Emission von Photonen aus jedem Atom auslösen. Dieser Prozess wird sorgfältig kontrolliert, um sicherzustellen, dass die emittierten Photonen korrekt zu den Zuständen der Atome passen, was eine effektive Verschränkung ermöglicht.

Das Team mass die Korrelation zwischen der Polarisation der emittierten Photonen und den inneren Zuständen der Atome. Dies ermöglichte es ihnen, die Fidelity der erzeugten verschränkten Zustände genau zu bewerten.

#Leistung des Registers

Die Fidelity der atom-photonen verschränkten Zustände blieb konstant, während mehr Atome hinzugefügt wurden, was zeigt, dass Fehler mit der Grösse des Qubit-Registers nicht zunahmen. Allerdings variierte die Effizienz der Photonemission je nach Position der Atome, wobei die höhere Effizienz in der Mitte der Kavität auftrat.

Messungen zeigten, dass die Gruppe bei der Vorbereitung von nur einem Atom hohe Fidelity und Effizienz erreichte. Als grössere Arrays gebildet wurden, zeigte die Forschung, dass die Effizienz in der Nähe der Mitte ihren Höhepunkt erreichte und abnahm, als die Atome nach aussen wanderten.

Diese Beobachtung führte die Forscher zu dem Schluss, dass, während die Anzahl der Atome in eine Richtung begrenzt war, sie das System anpassen konnten, um mehr Atome entlang der longitudinalen Achse der Kavität unterzubringen.

#Erweiterung des Arrays

Um grössere zweidimensionale Arrays zu schaffen, arrangierten die Forscher die Atome in der Kavität und hielten sie effektiv voneinander getrennt. Dies wurde durch das einzigartige Design ermöglicht, das eine maximale Atom-Kavitäten-Kopplung in der Mitte zulässt.

Die Platzierung der Atome war durch die kleine Breite der stehenden Wellenfalle eingeschränkt. Obwohl Platz für viele Atome war, erlaubte das Setup derzeit nur zwei Reihen in der Kavität. Zukünftige Designs könnten grössere optische Fallen oder zusätzliche Reihen beinhalten, um mehr Atome besser unterzubringen.

#Multiplexed Atom-Photonen Verschränkung

Auch wenn ein einzelnes Atom Entanglement mit einer angemessenen Wahrscheinlichkeit erzeugen und nachweisen kann, benötigen praktische Anwendungen eine viel höhere Erfolgsquote. Der Einsatz von Multiplexing-Schemata mit mehreren Emittern kann helfen, dieses Ziel zu erreichen.

Wenn die Wahrscheinlichkeit, ein verschränktes Photon von einem einzelnen Atom erfolgreich nachzuweisen, bekannt ist, erhöht das Hinzufügen von mehr Atomen zum Register die Chance, mindestens ein verschränktes Paar sehr nah an eins nachzuweisen. Diese Technik ermöglicht es den kommunizierenden Parteien zu erkennen, welcher Emitter das erfolgreiche Photon produziert hat, basierend auf Timing und Distanzen.

#Fazit

Die Montage-Methode, die verwendet wird, um die atomaren Arrays zu erstellen, hat das Potenzial, frühere Quantenkommunikationsdesigns zu verbessern, die erhebliche Einschränkungen in der Effizienz hatten. Das neue System könnte viele mehr Atome bewältigen, wobei die Forscher schätzen, dass es etwa 40 entlang der Kavitätenachse und sieben in einer breiteren Richtung unterbringen könnte.

Da der Abstand zwischen den Atomen kleiner ist als der Blockieradius, sollten Quantenlogikoperationen innerhalb der Kavität möglich sein. Die gesamte Interkonnektivität der atomaren Qubits könnte eine effiziente Informationsverarbeitung ermöglichen, was sich von den früheren Designs unterscheidet, die im Allgemeinen darauf basierten, Aufgaben in kleinere Operationen zu zerlegen.

Zusammenfassend stellt diese Arbeit einen bedeutenden Fortschritt beim Aufbau eines praktischen Quanten Netzwerks dar, das Informationen auf einem Niveau verarbeiten und teilen kann, das zuvor als unerreichbar galt. Die Ergebnisse deuten auf vielversprechende zukünftige Entwicklungen in den Quantenkommunikationstechnologien hin, die es den Forschern ermöglichen, über grössere Systeme nachzudenken, die mehrere Quanten Geräte nahtlos verbinden können.