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Wissenschaftler haben eine „außergewöhnlich helle“ Lichtquelle geschaffen, die quantenverschränkte Photonen (Lichtteilchen) erzeugen kann, die zur sicheren Datenübertragung in einem zukünftigen Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikationsnetzwerk verwendet werden könnten.
Ein zukünftiges Quanteninternet könnte Informationen mithilfe von Paaren übertragen verwirrt Photonen – das bedeutet, dass Teilchen unabhängig von der Entfernung Informationen über Zeit und Raum weitergeben. Basierend auf den seltsamen Gesetzen von QuantenmechanikDie in diesen verschränkten Photonen kodierten Informationen können mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden, während ihre „Quantenkohärenz“ – ein Zustand, in dem die Teilchen verschränkt sind – dafür sorgt, dass die Daten nicht abgefangen werden können.
Eine der größten Herausforderungen beim Aufbau eines Quanteninternets besteht jedoch darin, dass die Leistung dieser Photonen mit ihrer Bewegung abnehmen kann. Lichtquellen sind nicht hell genug. Um ein leistungsstarkes Quanteninternet aufzubauen, das Daten über große Entfernungen senden kann, müssen Photonen stark genug sein, um eine „Dekohärenz“ (Verschränkungsverlust und Verschwinden der darin enthaltenen Informationen) zu verhindern.
In einer am 24. Juli in der Zeitschrift veröffentlichten Studie eLightWissenschaftler aus Europa, Asien und Südamerika haben mithilfe bestehender Technologien eine neuartige Quantensignalquelle geschaffen, die eine extrem hohe Helligkeit erreicht.
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Dies erreichten sie durch die Kombination eines photonischen Punktemitters (ein Generator einzelner Photonen oder eines Lichtteilchens) mit einem Quantenresonator (einem Gerät zur Verstärkung der Quantensignatur), um ein leistungsstarkes neues Quantensignal zu erzeugen.
Was die aktuelle Forschung besonders interessant macht, ist, dass die verschiedenen Technologien unabhängig voneinander im Labor getestet wurden, jedoch nur getrennt. Diese Studie ist die erste, in der sie zusammen verwendet werden.
Die Forscher kombinierten den photonischen Punktemitter mit einem kreisförmigen Bragg-Resonator (einem Reflektor zur Führung elektromagnetischer Wellen) auf einem piezoelektrischen Aktuator (einem Gerät, das Strom erzeugt, wenn Hitze oder Stress ausgeübt wird). Gemeinsam entwickelten sie eine verbesserte Form eines Photonenemitters, der die emittierten Photonen präzise anpassen kann, um eine maximale polarisierte Verschränkung zu erreichen. Die Steuerung erfolgte über den piezoelektrischen Aktor.
Die vom Gerät erzeugten Photonenpaare wiesen eine hohe Verschränkungsgenauigkeit und Extraktionseffizienz auf, was bedeutet, dass jedes Photon hell genug ist, um nützlich zu sein, und seine „Quantensignatur“ (eine nützliche Quanteneigenschaft) gut behält. Bisher war es schwierig, gleichzeitig ein brauchbares Helligkeitsniveau und eine hohe Verschränkungsgenauigkeit zu erreichen, da jeder Aspekt unterschiedliche Technologien erforderte und es schwierig war, diese skalierbar zu kombinieren.
Dies ist ein bedeutender Fortschritt in der Entwicklung praktischer Quantentechnologien und zeigt, wie sie kombiniert werden können, um eine leistungsfähigere und praktikablere Lichtquelle zu schaffen.
Leider ist in naher Zukunft nicht mit einem Quanteninternet zu rechnen, da sich die verschiedenen Technologien noch in der Test- und Entwicklungsphase befinden. Für die Herstellung des in der Studie verwendeten Photonenemitters waren außerdem giftige Rohstoffe erforderlich, darunter Arsen, die eine besondere Handhabung erforderten. Auch die Verwendung von Galliumarsenid, aus dem der Photonenemitter hergestellt wurde, wirft Sicherheitsbedenken auf. Fisher ScientificLieferant von Laborgeräten und Chemikalien für die wissenschaftliche Forschung, Listen Galliumarsenid gilt aus mehreren Gründen als gefährlich, unter anderem wegen seiner krebserregenden Eigenschaften.
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Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Materialien könnten die Skalierbarkeit der beschriebenen Methodik einschränken. Daher könnte es notwendig sein, brauchbare alternative Materialien zu identifizieren, um helle, verschränkte Photonen für zukünftige Quantenkommunikationsnetzwerke zu erzeugen.
Im nächsten Entwicklungsschritt soll eine diodenartige Struktur in den Piezoaktor integriert werden. Dies würde es ermöglichen, ein elektrisches Feld durch die Quantenpunkte zu erzeugen, um der Dekohärenz entgegenzuwirken und so den Grad der Verschränkung zu erhöhen.
Obwohl bei der Entwicklung eines Quanteninternets noch viele Schritte zu unternehmen seien, sei die erfolgreiche Kombination eines Photonenemitters und eines Resonators, um Photonen mit hoher Helligkeit und Verschränkung zu erzeugen, dennoch ein bedeutender Fortschritt, sagten die Wissenschaftler.