Massenproduzierbarer Mini-Quantenspeicher

Netzwerke wie das Internet oder das Mobilfunknetz sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Ähnliche Netzwerke sollen in Zukunft auch für Quantentechnologien entstehen und es ermöglichen, Nachrichten mit Hilfe der Quantenkryptographie abhörsicher zu übertragen oder Quantencomputer miteinander zu verbinden.

Solche Quantennetzwerke benötigen, ebenso wie ihre herkömmlichen Pendants, Speicherelemente, in denen Informationen zwischengelagert und bei Bedarf weitergeleitet werden können. Forschende der Universität Basel unter der Leitung von Prof. Dr. Philipp Treutlein haben nun ein solches Speicherelement entwickelt, das sich mikrofabrizieren lässt und sich damit für die Massenproduktion eignet. Ihre Ergebnisse haben sie kürzlich im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

Photonenspeicherung in Glaszellen

Um Quanteninformation zu übermitteln, sind Lichtteilchen sehr geeignet. Mit Photonen lassen sich Quanteninformationen über Glasfasern und zu Satelliten übertragen oder in ein Quantenspeicherelement leiten. Dort muss der quantenmechanische Zustand der Photonen möglichst präzise eingelagert und nach einer Speicherzeit wieder in Photonen umgewandelt werden können.

Dass dies mit Rubidiumatomen in einer Glaszelle gut funktioniert, haben die Basler Forschenden bereits vor zwei Jahren gezeigt. «Diese Glaszelle war allerdings handgemacht und zudem mehrere Zentimeter gross», sagt Postdoktorand Dr. Roberto Mottola: «Um alltagstauglich zu sein, müssen solche Zellen viel kleiner werden und sich zudem problemlos in grosser Zahl herstellen lassen.»

Genau dies haben Treutlein und seinen Mitarbeitenden nun geschafft. Um eine viel kleinere, nur wenige Millimeter grosse Zelle benutzen zu können, die aus der Massenproduktion für Atomuhren stammt, mussten sie allerdings erfinderisch werden. Um trotz der geringen Grösse der Zelle eine ausreichende Anzahl von Rubidiumatomen für die Quantenspeicherung zu haben, mussten sie die Zelle auf 100 Grad Celsius erhitzen, um so den Dampfdruck zu erhöhen.

Zudem setzten sie die Atome einem Magnetfeld von 1 Tesla aus, mehr als zehntausend Mal stärker als das Erdmagnetfeld. Dadurch wurden die atomaren Energiezustände so verschoben, dass die Quantenspeicherung der Photonen mit Hilfe eines zusätzlichen Laserstrahls einfacher wurde. Mit dieser Methode gelang es den Forschenden, Photonen etwa 100 Nanosekunden lang zu speichern. In dieser Zeit wären freie Photonen 30 Meter weit geflogen.

Tausend Quantenspeicher auf einem Wafer

«Damit haben wir zum ersten Mal einen Miniatur-Quantenspeicher für Photonen hergestellt, von dem rund 1000 Exemplare parallel auf einem Wafer produziert werden können», sagt Treutlein. Im aktuellen Experiment wurde die Speicherung zwar noch mit stark abgeschwächten Laserpulsen demonstriert, doch in naher Zukunft will Treutlein in Zusammenarbeit mit dem CSEM in Neuchâtel auch einzelne Photonen in den Miniaturzellen speichern. Zudem muss das Format der Glaszellen noch so optimiert werden, damit die Photonen möglichst lange gespeichert werden können und ihre Quantenzustände erhalten bleiben.

Originalpublikation

Roberto Mottola, Gianni Buser, and Philipp Treutlein
Optical Memory in a Microfabricated Rubidium Vapor Cell
Physical Review Letters (2023), doi: 10.1103/PhysRevLett.131.260801