Forscher der Stanford University haben ein nanometergroßes Quantenkommunikationsbauelement entwickelt, das bei Raumtemperatur arbeitet. Das Bauelement nutzt „verdrehtes Licht", um den Photonenspin mit dem Elektronenspin zu verbinden und so eine Verschränkung von Photonen und Elektronen ohne ultratiefe Kühlung zu erreichen. Dies bietet einen neuen experimentellen Weg zur Miniaturisierung von Quantenkommunikationskomponenten.
Diese Forschung adressiert die Herausforderung der Tieftemperaturabhängigkeit in der Quantenkommunikation. Viele bestehende Quantensysteme benötigen Umgebungen nahe dem absoluten Nullpunkt, um Quantenzustände aufrechtzuerhalten. Die Kühlgeräte sind groß und teuer, was den Einsatz von Quantenbauelementen in breiteren Kommunikations- und Rechengeräten einschränkt. Das Stanford-Team verwendete eine dünne Schicht aus Molybdändiselenid und ein nanostrukturiertes Siliziumsubstrat, um das Bauelement herzustellen. Durch die Silizium-Nanostrukturen werden Photonen präzise gesteuert, sodass sie sich auf spiralförmige Weise ausbreiten und diese Spineigenschaften auf die Elektronen übertragen. Photonen eignen sich für die Übertragung von Informationen über große Entfernungen, während Elektronen sich für die Speicherung und Verarbeitung von Informationen innerhalb eines Chips eignen. Wenn eine stabile Kopplung zwischen beiden hergestellt werden kann, besteht die Möglichkeit, Quanteninformationen von der Kommunikationsverbindung in das On-Chip-Bauelement zu bringen.
Das in diesem Bauelement verwendete Molybdändiselenid gehört zu den Übergangsmetalldichalkogeniden und weist vorteilhafte optische und Quanteneigenschaften auf. Das Forschungsteam verstärkte und begrenzte das verdrehte Licht durch Silizium-Nanostrukturen, wodurch eine stärkere Verbindung zwischen Photonenspin und Elektronenspin entsteht und so ein für die Kommunikation nutzbarer Quantenzustand stabilisiert wird. Für die Quantenkommunikation beeinflussen die Stabilität des verschränkten Zustands, die Möglichkeit seiner Bildung in herstellbaren Bauelementen und sein Betrieb bei Raumtemperatur das nachfolgende Systemdesign.
„Verdrehtes Licht" ist hier keine gewöhnliche Lichtstrahlformung, sondern ein Lichtfeld, das spezifische Spininformationen trägt. Nanostrukturen können Photonen dazu bringen, sich in eine bestimmte Richtung zu drehen, und diesen Drehzustand mit dem Elektronenspin im Material verknüpfen. Der Zustand von Quantenbits ist leicht durch Umgebungsstörungen beeinflussbar. Wenn der Elektronenspin schnell verloren geht, können Informationen nicht effektiv übertragen werden. Durch das Design von Material und Lichtfeldstruktur hält das Bauelement des Stanford-Teams die Photon-Elektron-Kopplung bei Raumtemperatur nutzbar. Dieser Ansatz reduziert die Abhängigkeit von großen Tieftemperatursystemen und ermöglicht kompaktere Hardware für zukünftige Quantenkommunikationschips, Quantensensoren und On-Chip-optische Systeme. Für den späteren Einsatz auf Netzwerkebene sind weiterhin bessere Lichtquellen, Modulatoren, Detektoren, Verbindungsstrukturen und Systemverpackungen erforderlich.
Das Forschungsteam optimiert weiterhin die Bauelementleistung und erforscht andere Übergangsmetalldichalkogenide und Materialkombinationen. Der Betrieb bei Raumtemperatur ist nur ein Schritt in Richtung praktischer Anwendungen. Für den tatsächlichen Einsatz in Quantennetzwerken müssen noch Probleme wie Bauelementkonsistenz, integrierte Fertigung, Signalauslese, Fehlerkontrolle und Systemstabilität gelöst werden. Das Stanford-Team kombiniert verdrehtes Licht, zweidimensionale Materialien und Silizium-Nanostrukturen in einem einzigen Bauelement und bietet damit einen experimentellen Ansatz für Quantenkommunikationshardware, der sich von traditionellen Tieftemperaturmethoden unterscheidet.