Quantencomputing hatte lange Zeit damit zu kämpfen, verschränkte Photonen effizient zu erzeugen, doch ein Forscherteam hat eine bahnbrechende Methode entdeckt, indem es Metaoberflächen nutzt – flache, konstruierte Strukturen, die das Licht steuern. Durch die Nutzung dieser Metaoberflächen können sie verschränkte Photonen einfacher und kompakter als je zuvor erzeugen und manipulieren. Der Durchbruch könnte die Tür zu kleineren, leistungsfähigeren Quantencomputern öffnen und sogar den Weg für Quantennetzwerke ebnen, die verschränkte Photonen an mehrere Benutzer liefern.
Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Metaoberflächen zur Erzeugung verschränkter Photonen zu nutzen und so Quantencomputer und Kommunikation zu vereinfachen. (Erzeugung einer Multiphotonenverschränkung mit winzigen Metaoberflächen).
Die Quanteninformationsverarbeitung beruht auf der Verschränkung mehrerer Photonen, um große Datenmengen zu verarbeiten. Allerdings bleibt die effiziente Erzeugung dieser verschränkten Photonen eine große Herausforderung. Herkömmliche Methoden nutzen entweder quantennichtlineare optische Prozesse, die sich nur schwer auf eine große Anzahl von Photonen ausdehnen lassen; Oder sie verwenden lineare Strahlteilung und Quanteninterferenz, die komplexe und empfindliche Geräte erfordern und anfällig für Verluste und Übersprechen sind.
Forschungsteams der Peking-Universität, der Southern University of Science and Technology und der University of Science and Technology of China haben kürzlich Durchbrüche auf diesem Gebiet erzielt. Laut der Zeitschrift AdvancedPhotonicsNexus haben sie eine neue Technologie entwickelt, die Metaoberflächen nutzt – ultradünne technische Strukturen, die die Phase, Frequenz und Polarisation des Lichts präzise steuern können. Mit dieser Methode kann eine Multiphotonenverschränkung auf einer einzelnen Elementoberfläche erzeugt werden, was den Prozess einfacher und effizienter macht.
Ihre Methode lenkt mehrere einzelne Photonen aus unterschiedlichen Winkeln auf eine speziell gestaltete Gradientenelementoberfläche. Die Metaoberfläche manipuliert diese Photonen so, dass sie auf Quantenart interferieren und verschränkte Photonenzustände erzeugen. Diese Technologie kann nicht nur verschiedene verschränkte Zustände erzeugen, sondern auch mehrere verschränkte Photonenpaare zu größeren und komplexeren Photonengruppen verschmelzen. Daher können mehr Quanteninformationen auf kleinerem Raum kodiert werden, was möglicherweise die Entwicklung von Quantencomputer- und Kommunikationstechnologien vorantreibt.
Professor Gu Ying, der korrespondierende Autor des Berichts, glaubt, dass diese neue Methode eine neue Perspektive auf die Quanteninformationsverarbeitung bietet: „Es ist, als würde man eine Abkürzung in einem Labyrinth finden. Anstatt in einem komplexen optischen Gerät im Zickzack zu fahren, können wir diese Aufgabe mit einer Metaoberfläche erledigen. Der Prozess der Erzeugung und Manipulation verschränkter Photonen wird einfacher und kompakter. Sie eignet sich sehr gut für den Bau winziger Quantengeräte, die auf einem Chip installiert werden können, und ist eine hervorragende Lösung für zukünftige Quantencomputer- und Kommunikationsanwendungen.“
Mit dieser neuen Methode zur Erzeugung einer Multiphotonenverschränkung könnten viele Quantenanwendungen einfacher zu realisieren sein. Beispielsweise können Metaoberflächen verwendet werden, um verschränkte Photonen zu erzeugen und diese an mehrere Benutzer weiterzugeben, wodurch die Einrichtung von Quantennetzwerken erleichtert wird. Darüber hinaus könnten Metaoberflächen als Bausteine für die Verarbeitung weiterer Photonen dienen und möglicherweise die Entwicklung von Quantencomputern in der Größe eines Laptops ermöglichen. Die Möglichkeiten sind spannend und diese Studie bringt uns ihrer Verwirklichung einen Schritt näher.
Zusammengestellt von /scitechdaily