Überbrückung der Lücke zwischen Halbleiterphotonen und atomarem Speicher

In einem bedeutenden Fortschritt haben Forscher zwei vielversprechende Plattformen für Quantentechnologien - Halbleiter-Quantenpunkte und atomare Quantenspeicher - erfolgreich miteinander verknüpft. Unter der Leitung von Dr. Sarah Thomas vom Imperial College London demonstrierte die internationale Zusammenarbeit die Fähigkeit, Licht, das von einem Indiumarsenid-Quantenpunkt ausgesendet wird, effizient zu speichern und bei Bedarf mit einem atomaren Speicher auf der Basis von Rubidiumdampf abzurufen.

Quantenpunkte sind nanoskalige Halbleiterkristalle mit außergewöhnlichen Fähigkeiten als deterministische Einzelphotonen-Emitter und Quellen der Quantenverschränkung. Ihre Integration in groß angelegte Quantennetzwerke erfordert jedoch eine Schnittstelle zu atomaren Systemen, die in der Lage sind, photonische Quantenzustände zu erhalten und zu manipulieren. Atomare Speicher in warmen Dämpfen bieten hohe Speichereffizienzen und eine Bandbreite, die gut zu Quantenpunkten passt, aber die Herausforderungen liegen in der Harmonisierung der spektralen und zeitlichen Profile beider Systeme.

Um dieses Problem zu überwinden, hat das Team seine Quantenpunkte so konzipiert, dass sie in der Nähe von 1529 Nanometern emittieren, was auf den Rubidium-Speicher abgestimmt ist. Die Photonen wurden zeitlich über einen elektrooptischen Modulator und spektral über einen Fabry-Pérot-Resonator gefiltert, um die Ähnlichkeit zwischen Eingangs- und Speichermodus zu optimieren. Beeindruckenderweise erreichten sie einen Gesamtwirkungsgrad von fast 13 % und ein Signal-Rausch-Verhältnis von über 18, das nur durch das Detektorrauschen begrenzt wird.

Weitere Verbesserungen könnten die Leistung steigern, z. B. die Minimierung der ladungsinduzierten Verbreiterung der Quantenpunkt-Emissionslinien. Die Wissenschaftler schlugen Ansätze wie optisches Pumpen, dynamische Stark-Verschiebungen oder die Abbildung auf Hyperfeinstrukturniveaus vor, die die Doppler-Dephasierung beseitigen, um eine Speicherung zu ermöglichen, die die Lebensdauer des angeregten Zustands um bis zu einer Sekunde übersteigt.

Diese bahnbrechende Errungenschaft überbrückt die Lücke zwischen Halbleiterphotonen und atomaren Speichern. Die Fähigkeit, verschiedene Quantensysteme miteinander zu verbinden, ist ein wichtiger Meilenstein, der zwei führende Plattformen zusammenführt. Die weitere Verfeinerung dieser Schnittstellen verspricht, den Fortschritt bei der Entwicklung praktischer Quantentechnologien zu beschleunigen, wie z. B. verteilte Speicherknoten, die über Quantenpunkte mit Telekommunikationsfasernetzen verbunden sind - dies wäre theoretisch das Quanteninternet. 

Hinweis(e)

1. Sarah E. Thomas, Lukas Wagner, Raphael Joos, Robert Sittig, Cornelius Nawrath, Paul Burdekin, Ilse Maillette de Buy Wenniger, Mikhael J. Rasiah, Tobias Huber-Loyola, Steven Sagona-Stophel, Sven Höfling, Michael Jetter, Peter Michler, Ian A. Walmsley, Simone L. Portalupi, Patrick M. Ledingham. Deterministisches Speichern und Abrufen von Telekommunikationslicht aus einer Quantenpunkt-Einzelphotonenquelle, die mit einem atomaren Quantenspeicher verbunden ist. Science Advances, 2024; 10 (15) DOI: 10.1126/sciadv.adi7346

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