Nanokomponente ist ein Quantensprung

Forscher der Universität Kopenhagen haben eine Nanokomponente entwickelt, die Lichtteilchen mit Quanteninformationen emittiert. Die winzige Komponente, die weniger als ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares beträgt, ermöglicht eine Vergrößerung und könnte schließlich die für einen Quantencomputer oder ein Quanteninternet erforderlichen Fähigkeiten erreichen.

Das Forschungsergebnis bringt Dänemark an die Spitze des Quantenrennens.

Teams auf der ganzen Welt arbeiten an der Entwicklung von Quantentechnologien. Der Fokus der Forscher am Zentrum für hybride Quantennetze (Hy-Q) des Niels Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen liegt auf der Entwicklung von Quantenkommunikationstechnologien auf der Basis von Lichtschaltungen, sogenannten nanophotonischen Schaltungen. Die UCPH-Forscher haben jetzt einen großen Fortschritt erzielt.

„Es ist ein wirklich wichtiges Ergebnis, obwohl die Komponente so klein ist“, sagt Assistenzprofessor Leonardo Midolo, der seit fünf Jahren an diesem Durchbruch arbeitet.

Das Forscherteam hat eine Komponente namens nanomechanischer Router erfunden, die von Lichtteilchen (Photonen) getragene Quanteninformationen aussendet und diese in einem photonischen Chip in verschiedene Richtungen leitet. Photonische Chips sind wie Computer-Mikrochips - nur verwenden sie Licht anstelle von Elektronen. Das Bauelement vereint Nano-Opto-Mechanik und Quantenphotonik - zwei Forschungsbereiche, die bisher noch nie kombiniert wurden. Am spektakulärsten ist die Größe der Komponente, nur ein Zehntel der eines menschlichen Haares. Es ist diese mikroskopische Größe, die es für zukünftige Anwendungen so vielversprechend macht.

„Durch das Zusammenführen der Welten Nanomechanik und Quantenphotonik lässt sich die Quantentechnologie vergrößern. In der Quantenphysik war es eine Herausforderung, Systeme zu skalieren. Bisher konnten wir einzelne Photonen aussenden. Um jedoch fortgeschrittenere Dinge mit der Quantenphysik zu tun, müssen wir Systeme hochskalieren, was diese Erfindung ermöglicht. Um einen Quantencomputer oder ein Quanteninternet aufzubauen, benötigen Sie nicht nur jeweils ein Photon, sondern viele Photonen gleichzeitig, die Sie miteinander verbinden können “, erklärt Leonardo Midolo.

Das Erreichen der „Quantenüberlegenheit“ ist realistisch

Um quantenmechanische Gesetze auszunutzen, um beispielsweise einen Quantencomputer oder ein Quanteninternet aufzubauen, müssen viele nanomechanische Router in demselben Chip integriert sein. Etwa 50 Photonen sind erforderlich, um die so genannte "Quantenüberlegenheit" zu erreichen. Laut Midolo macht der neue nanomechanische Router dies zu einem realistischen Ziel:

"Wir haben berechnet, dass unser nanomechanischer Router bereits auf zehn Photonen skaliert werden kann. Mit weiteren Verbesserungen sollte er die 50 Photonen erreichen können, die für die Erreichung der" Quantenüberlegenheit "erforderlich sind."

Die Erfindung ist auch ein großer Fortschritt bei der Steuerung des Lichts in einem Chip. Dank der vorhandenen Technologie können aufgrund des großen Platzbedarfs nur wenige Router auf einem einzigen Chip integriert werden. Nanomechanische Router hingegen sind so klein, dass mehrere Tausend in einem Chip integriert werden können.

„Unsere Komponente ist äußerst effizient. Es geht darum, möglichst viele Photonen auf einmal emittieren zu können, ohne eines von ihnen zu verlieren. Keine andere aktuelle Technik erlaubt dies “, sagt Leonardo Midolo.

Die Forschung wird in der Gruppe für Quantenphotonik am Niels-Bohr-Institut durchgeführt, das Teil des neu eingerichteten Zentrums für hybride Quantennetzwerke (Hy-Q) ist.