Aufbau eines Quantennetzwerks mit winzigen nanoskaligen Knoten

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Neue Forschungsergebnisse zeigen einen Weg auf, die Quanteneigenschaften des Lichts zur Übertragung von Informationen zu nutzen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur nächsten Generation von Computer- und Kommunikationssystemen.
Forscher der University of Rochester und der Cornell University haben einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines Kommunikationsnetzwerks gemacht, das Informationen über große Entfernungen austauscht, indem es Photonen nutzt, masselose Größen des Lichts, die Schlüsselelemente von Quantencomputern und Quantenkommunikationssystemen sind.
Das Forscherteam hat einen nanoskaligen Knoten aus magnetischen und halbleitenden Materialien entworfen, der mit anderen Knoten interagieren könnte, indem er mit Hilfe von Laserlicht Photonen aussendet und akzeptiert.

Die Entwicklung eines solchen Quantennetzwerks – das die physikalischen Eigenschaften von Licht und Materie, die durch die Quantenmechanik charakterisiert sind, ausnutzt – verspricht schnellere und effizientere Wege zur Kommunikation, Berechnung und Erkennung von Objekten und Materialien im Vergleich zu Netzwerken, die derzeit für die Datenverarbeitung und Kommunikation verwendet werden.
Der in der Fachzeitschrift Nature Communications beschriebene Knoten besteht aus einer Anordnung von Säulen, die nur 120 Nanometer hoch sind.

Die Säulen sind Teil einer Plattform, die atomar dünne Schichten aus Halbleiter- und Magnetmaterialien enthält.
Das Array ist so konstruiert, dass jede Säule als Ortsmarkierung für einen Quantenzustand dient, der mit Photonen interagieren kann, und die zugehörigen Photonen können potenziell mit anderen Orten auf dem Gerät interagieren – und mit ähnlichen Arrays an anderen Orten.

Dieses Potenzial, Quantenknoten über ein entferntes Netzwerk zu verbinden, macht sich das Konzept der Verschränkung zunutze, ein Phänomen der Quantenmechanik, das auf seiner grundlegenden Ebene beschreibt, wie die Eigenschaften von Teilchen auf subatomarer Ebene miteinander verbunden sind.
“Das sind die Anfänge einer Art Register, wenn man so will, wo verschiedene räumliche Orte Informationen speichern und mit Photonen interagieren können”, sagt Nick Vamivakas, Professor für Quantenoptik und Quantenphysik in Rochester.
Auf dem Weg zur ‘Miniaturisierung eines Quantencomputers’
Das Projekt baut auf Arbeiten auf, die das Vamivakas-Labor in den letzten Jahren mit Wolframdiselenid (WSe2) in sogenannten Van-der-Waals-Heterostrukturen durchgeführt hat.

Bei dieser Arbeit werden Schichten von atomar dünnen Materialien übereinander verwendet, um einzelne Photonen zu erzeugen oder einzufangen.
Das neue Gerät verwendet eine neuartige Anordnung von WSe2, das über die Säulen mit einer darunter liegenden, hoch reaktiven Schicht aus Chromtriiodid (CrI3) drapiert ist.

Dort, wo sich die atomar dünnen, 12 Mikrometer großen Schichten berühren, überträgt das CrI3 eine elektrische Ladung auf das WSe2, wodurch ein “Loch” entlang jeder der Säulen entsteht.
In der Quantenphysik ist ein Loch durch die Abwesenheit eines Elektrons gekennzeichnet.

Jedes positiv geladene Loch hat auch eine binäre magnetische Nord/Süd-Eigenschaft, so dass jedes auch ein Nanomagnet ist.
Wird das Gerät in Laserlicht getaucht, treten weitere Reaktionen auf, die die Nanomagnete in einzelne optisch aktive Spin-Arrays verwandeln, die Photonen emittieren und mit ihnen interagieren.

Während die klassische Informationsverarbeitung mit Bits arbeitet, die entweder den Wert 0 oder 1 haben, können Spin-Zustände sowohl 0 als auch 1 gleichzeitig kodieren, was die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung erweitert.
“Die Möglichkeit, die Spin-Ausrichtung von Löchern mit Hilfe von ultradünnem und 12 Mikrometer großem CrI3 zu kontrollieren, ersetzt die Notwendigkeit, externe Magnetfelder von gigantischen Magnetspulen, wie sie in MRT-Systemen verwendet werden, zu nutzen”, sagt Hauptautor und Doktorand Arunabh Mukherjee. “Dies wird einen großen Schritt in Richtung Miniaturisierung eines Quantencomputers machen, der auf einzelnen Lochspins basiert. “
Still to come: Verschränkung auf Distanz?
Zwei große Herausforderungen stellten sich den Forschern bei der Herstellung des Geräts.
Die eine bestand darin, eine inerte Umgebung zu schaffen, in der sie mit dem hochreaktiven CrI3 arbeiten konnten.

An dieser Stelle kam die Zusammenarbeit mit der Cornell University ins Spiel. “Sie haben viel Erfahrung mit Chromtriiodid, und da wir zum ersten Mal damit gearbeitet haben, haben wir uns mit ihnen über diesen Aspekt abgestimmt”, sagt Vamivakas.

Die Herstellung von CrI3 erfolgte zum Beispiel in mit Stickstoff gefüllten Handschuhkästen, um den Abbau durch Sauerstoff und Feuchtigkeit zu vermeiden.
Die andere Herausforderung bestand darin, die richtige Konfiguration der Säulen zu bestimmen, um sicherzustellen, dass die Löcher und Spintäler, die mit jeder Säule verbunden sind, richtig registriert werden können, um sich schließlich mit anderen Knoten zu verbinden.
Und darin liegt die nächste große Herausforderung: einen Weg zu finden, Photonen über große Entfernungen durch eine optische Faser zu anderen Knoten zu schicken und dabei ihre Eigenschaften der Verschränkung zu erhalten.
“Wir haben das Gerät noch nicht so konstruiert, dass es dieses Verhalten fördert”, sagt Vamivakas. “That’s down the road.”
Referenz: “Observation of site-controlled localized charged excitons in CrI3/WSe2 heterostructures” von Arunabh Mukherjee, Kamran Shayan, Lizhong Li, Jie Shan, Kin Fai Mak und A. Nick Vamivakas, 30. Oktober 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-19262-2
Neben Vamivakas und Mukherjee gehören zu den weiteren Koautoren des Papers die Hauptautoren Kamran Shayan aus Vamivakas’ Labor sowie Lizhong Li, Jie Shan und Ki

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