banner
Nachrichtenzentrum
Erstklassige Kenntnisse und Fähigkeiten.

Telekommunikation

Jul 19, 2023

Feature vom 31. Juli 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Ein Quantenspeicher, der auf der Quantenbandintegration basiert, ist ein wichtiger Baustein für die Entwicklung von Quantennetzwerken, die mit Glasfaserkommunikationsinfrastrukturen kompatibel sind. Quanteningenieure und IT-Spezialisten müssen noch ein solches Netzwerk mit großer Kapazität schaffen, um einen integrierten photonischen Multimode-Quantenspeicher im Telekommunikationsband zu bilden.

In einem neuen Bericht in Science Advances beschrieben Xueying Zhang und ein Forschungsteam aus den Bereichen Elektronik, Physik und Informationstechnologie die faserintegrierte Multimode-Speicherung eines einzelnen Photons im Telekommunikationsband auf einem lasergeschriebenen Chip.

Das Speichergerät aus mit Erbium (Er3+) dotiertem Lithiumniobat (Er3+:LiNbO3) mit Faserpigtails stellte ein Speichersystem dar, das mit faserintegrierten On-Chip-Komponenten im Telekommunikationsband integriert ist. Die Ergebnisse der Studie zeigen einen Weg für die Entstehung zukünftiger Quantennetzwerke auf der Grundlage integrierter photonischer Geräte auf.

Quantenzustände von Licht können reversibel auf Materie abgebildet werden, um photonische Quantenspeicher zu erzeugen, die sich ideal für die Quantenkommunikation über große Entfernungen über verteilte Quantennetzwerke eignen.

Physiker haben photonische Quantenspeichergeräte auf Lichtwellenleiterbasis mit anderen integrierten Quantengeräten wie Quantenlichtquellen, photonischen Schaltkreisen und Einzelphotonendetektoren integriert, um miteinander verbundene multifunktionale Quantenarchitekturen zu entwickeln. In dieser Arbeit haben Zhang et al. entwickelte ein in das Telekommunikationsband integriertes Multimode-Speichergerät in einem Wellenleiter auf Lithiumniobatbasis.

Sie konstruierten den lasergeschriebenen Wellenleiter mit Femtosekunden-Lasermikrobearbeitung, der direkt an einen Singlemode-Faser-Pigtail gekoppelt war, indem sie einen optischen Kollimator auf beiden Seiten des Aufbaus verwendeten, um die Kompatibilität mit dem Faserkommunikationssystem zu erleichtern.

Das Team entwickelte ein On-Chip-Quantenspeichersystem unter Verwendung eines Atomfrequenzkammprotokolls. Die Integration eines 4 GHz breiten atomaren Frequenzkamms ermöglichte es dem Team, experimentell ein Multimode-Quantenspeichersystem zu realisieren und damit den Weg für die Bildung integrierter Quantennetzwerke mit Speicher zu ebnen, die mit der Infrastruktur der Glasfaserkommunikation kompatibel sind.

Zhang et al. konstruierten ein Speichergerät unter Verwendung eines Wellenleiters vom Typ III, der mithilfe der Femtosekundenlaser-Mikrobearbeitung in einem Wafer aus Erbium-dotiertem Lithiumniobat-Kristall hergestellt wurde.

Der Volumenkristall des Materials hielt eine Konzentration an Dotierstoffionen in einem winzigen Prozentsatz aufrecht und ermöglichte die Kopplung zwischen lasergeschriebenen Wellenleitern und Singlemode-Fasern. Die Wissenschaftler klebten den dotierten Lithiumniobat-Kristall mit zwei optischen Kollimatoren mit Singlemode-Faserpigtails auf einen Kupferkühlkörper.

Sie platzierten das faserintegrierte Gerät in einem Verdünnungskühlschrank und beobachteten eine optische Gesamtübertragungsfrequenz von 26 Prozent im gesamten kryogenen Aufbau.

Die Experimente zur Multimode-Speicherung bestanden aus der Erzeugung einzelner Photonen, um das auf einem Atomfrequenzkamm basierende Quantenspeicher- und Messsystem vorzubereiten. Das Team erzeugte korrelierte Photonenpaare durch kaskadierende Erzeugung der zweiten Harmonischen und spontane parametrische Abwärtskonvertierungsprozesse im Lithiumniobat-Wellenleitermodul, das von einer Reihe von Lichtimpulsen gepumpt wurde.

Für die Single-Mode-Speicherung nutzte das Team einen einzelnen Laserpuls mit einer Dauer von 300 Pikosekunden. Die Wissenschaftler detektierten Photonen im Aufbau über supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren. Zhang et al. analysierten die Erkennungssignale dieses Instruments mithilfe eines Zeit-Digital-Wandlers.

Zhang und Kollegen lieferten die Erbium-Ionen (Er3+) in eine periodische Absorptionsstruktur wie den Atomfrequenzkamm mit einem Zahnabstand von 5 MHz, was einer Speicherzeit von 200 Nanosekunden entsprach. Das Team zeigte die Speicherung von nichtklassischem Licht mit einem großen Zeit-Bandbreiten-Produkt.

Anschließend schickten sie die Signalphotonen an den Atomfrequenzkammspeicher und berechneten die Effizienz des Systems. Basierend auf der Übertragungseffizienz des Speichergeräts und der spektralen Filterung der Eingangsphotonen berechneten sie die interne Speichereffizienz. Die Ergebnisse zeigten, dass das Quantengedächtnis des Atomfrequenzkamms die Einzelphotonenreinheit und Spektralreinheit beibehalten hat.

Diese Ergebnisse führten zu Zhang et al. Aufbau eines On-Chip-Quantenspeichers mit einer Speicherzeit von 200 Nanosekunden bei gleichzeitiger Etablierung von vernachlässigbarem Übersprechen im Instrument.

Auf diese Weise demonstrierten Xueying Zhang und Kollegen einen integrierten Multimode-Quantenspeicher, der auf einem lasergeschriebenen Erbium-dotierten Lithiumniobat-Wellenleiter basiert. Das Team erreichte ein Zeit-Bandbreiten-Produkt von 800 mit einer Speicherbandbreite von 4 GHz und einer Speicherzeit von 200 Nanosekunden.

Diese Ergebnisse bei der Breitband-Multimode-Quantenspeicherung werden den Weg zur Schaffung eines Hochgeschwindigkeits-Quantennetzwerks ebnen. Obwohl diese Ergebnisse bedeutsam sind, glauben die Forscher, dass mehrere Upgrades erforderlich sind, um ein funktionsfähiges Gerät zu entwickeln, das Quantennetzwerke ermöglicht.

Der aktuelle Ansatz integriert die Zuverlässigkeit eines faserintegrierten Geräts, das mit der Glasfaser-Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel ist, um vielversprechende, lasergeschriebene Komponenten mit Breitband-Multiplex-Speichereigenschaften bereitzustellen. Das Forschungsteam geht davon aus, Photonenpaarquellen mit integrierten Speichern zu kombinieren, um ein Hochgeschwindigkeits-Quanten-Repeater-Protokoll zu realisieren und so ein groß angelegtes Quantennetzwerk zu schaffen.

Diese Ergebnisse werden dazu beitragen, ein Quantensystem mit großer Kapazität, Skalierbarkeit und Kompatibilität der Glasfaserkommunikation im Hinblick auf zukünftige Auswirkungen und den Aufbau eines globalen Quantennetzwerks zu realisieren.

Mehr Informationen: Xueying Zhang et al., Telekommunikationsbandintegrierter photonischer Multimode-Quantenspeicher, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf4587

Christoph Simon, Auf dem Weg zu einem globalen Quantennetzwerk, Nature Photonics (2017). DOI: 10.1038/s41566-017-0032-0

Zeitschrifteninformationen:Naturphotonik, wissenschaftliche Fortschritte

© 2023 Science X Network

Mehr Informationen:Zeitschrifteninformationen:Zitat