Mikrowellenassistierter Einzelphotonen-Quantenspeicher (MASQ)

Quantenspeicher (QM) spielen aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, Quantenzustände von Photonen zu speichern und abzurufen, eine zentrale Rolle in der Quanteninformation, im Quantencomputing und beim Aufbau großflächiger Quantenkommunikationsnetze (QCN). Aufgrund der durch Atomkollisionen hervorgerufenen Dekohärenz erreichen herkömmliche Heißdampf-QMs lediglich Kohärenzzeiten im Millisekundenbereich und sind daher für den Aufbau großer QCNs ineffizient. Um dieses Problem zu lösen, wird ein neuartiger, auf Alkalimetallatomen basierender optischer QM vorgeschlagen: der „mikrowellenunterstützte Einzelphotonen-Quantenspeicher (MASQ)“. Dieser speichert den Zustand des Photons für etwa eine Sekunde. Der innovative Ansatz kombiniert den kohärenten magnetischen Dipolübergang mit der spin-exchange-relaxationsfreien (SERF) Technik in einer speziellen Zeeman-Mannigfaltigkeit von Cäsiumatomen. Dadurch wird eine Immunität gegen die durch den dominanten paarweisen Spin-Austausch-Kollisionsprozess verursachte Dekohärenz gewährleistet. Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal des vorgeschlagenen QM ist seine Fähigkeit, einzelne und verschränkte Photonen zu speichern. Das erste Ziel ist der Aufbau eines hochwertigen 9,19-GHz-Resonators zur Erzeugung des magnetischen Dipolübergangs in den Spinzuständen von Cäsium. Anschließend wird ein rein optischer Λ-QM zur Speicherung einzelner und verschränkter Photonen konstruiert. Mithilfe einesresonatorverstärkten MW-Übergangs werden die Atome aus der Λ-Konfiguration schließlich in die dekohärenzfreien Zeeman-Zustände überführt, wo SERF-Techniken implementiert werden. Der bei Raumtemperatur betriebene Speicher ist skalierbar und integrierbar und unterstützt das Ziel der Europäischen Quantenkommunikationsinfrastruktur, ein sicheres Quantenkommunikationsnetzwerk in ganz Europa zu schaffen.