Materialwissenschaftler, die die Effizienz von Photonen als Informationsträger erforschen, haben Modelle entwickelt, die erklären, wie sich die Wirksamkeit dieser Lichtteilchen bei höheren Wellenlängen ändert. Ihre Erkenntnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung eines mit Spannung erwarteten technologischen Durchbruchs haben: Quantenkommunikationsnetzwerke.
Heutige optische Fasern sind in der Lage, Photonen (einzelne Lichtteilchen) bei den für die Telekommunikation verwendeten Wellenlängen mit minimalem Verlust zu übertragen. In einem Quantensystem funktionieren Photonen wie Bits in einem klassischen Computer.
Was hat Licht mit dem Internet zu tun?
Ein Quanteninternet existiert noch nicht, aber es wird angenommen, dass es einem Netzwerk von Quantencomputern ähnelt, die Informationen in Form von Quantenbits oder Qubits übertragen. Bei diesen Qubits handelt es sich um Teilchen, die sich in einem Quantenzustand befinden, der es ihnen ermöglicht, mehr Informationen als nur den Wert 0 oder 1 zu enthalten, wie dies bei klassischen Computerbits der Fall ist.
Wie bereits von Gizmodo berichtet, wird ein Quanteninternet nicht viel anders funktionieren als das Internet, auf das Sie heute über Ihren Browser zugreifen. Allerdings sollte die vorgeschlagene Technologie eine Verschlüsselung von Informationen mit viel höherer Sicherheit ermöglichen als Informationen im Internet heute und würde die Regeln der Quantenmechanik nutzen, um dieses Ziel zu erreichen.
Was haben die Forscher herausgefunden?
In ihrem neuen Papier –veröffentlicht letzten Monat in APP-Photonik– Physiker stellen ein Modell vor, das die Rolle der Elektron-Photonen-Kopplung in einer Art Einzelphotonenemitter beschreibt. Ihre Arbeit schlägt einen Weg vor, die Effizienz dieser Photonenemitter zu steigern.
„Atome vibrieren ständig, und diese Vibrationen können Lichtemittern Energie entziehen“, sagte Chris Van de Walle, Materialwissenschaftler an der UC Santa Barbara und einer der Autoren der Arbeit, in einem Universitätsinterview freigeben„Anstatt Photonen zu emittieren, können diese Defekte daher Atome tatsächlich zum Schwingen bringen, wodurch die Effizienz der Lichtemission verringert wird.“
Das Team stellte fest, dass sie nicht glauben, dass ein „Goldlöckchen“-Einzelphotonenemitter entdeckt wurde, aber sie gehen davon aus, dass er eine Übertragungsenergie von etwa 1,5 Elektronenvolt haben würde.
„Angesichts der viel höheren Effizienz, die bei kürzeren Wellenlängen erreicht werden kann, schlagen wir vor, dass, wenn Telekommunikationswellenlängen für die Übertragung in optischen Fasern erforderlich sind, neben der direkten Erzeugung auch die Quantenfrequenzumwandlung in Betracht gezogen werden sollte“, schrieb das Team.
„Eine sorgfältige Auswahl der Ausgangsmaterialien und die Durchführung atomarer technischer Eingriffe in deren Schwingungseigenschaften sind zwei vielversprechende Wege zur Überwindung geringer Effizienz“, sagte Mark Turiansky, Forscher an der UC Santa Barbara und Hauptforscher des Projekts, in derselben Pressemitteilung.
Eine weitere Methode zur Überwindung geringer Effizienz, schrieb das Team, sei die Zusammenführung Photonischer Hohlraumein Gerät, mit dem „ein Frequenzband geöffnet werden kann, in dem die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen unabhängig von der Richtung ihrer Ausbreitung im Raum verboten ist“, wie z Ein anderes Team hat es bei IEEE veröffentlicht.
Von einem Quanteninternet sind wir noch weit entfernt, aber seine Grundlage ist ein Projekt des letzten Jahrzehnts. Anfang 2020 veröffentlichte das Energieministerium Blaupause für „Aufbau eines nationalen Quanteninternets“.“, was zusätzlich zur sicheren Quantenkommunikation das Quantencomputing verbessern und bestehende Sensornetzwerke unterstützen könnte.
Machen Sie sich keine Hoffnungen auf die Quantenzukunft – Sie werden überrumpelt –, sondern seien Sie sich bewusst, dass die Grundlagenforschung in den Bereichen Materialien und Informatik derzeit den Grundstein für eine völlig neue Art der Kommunikation legt.
