Komponenten eines miniaturisierten Quantenmemories
Quantenmemories sind ein zentraler Bestandteil zukünftiger Quantennetzwerke. Sie ermöglichen den Austausch von Verschränkung und quantenverschlüsselter Kommunikation über große Distanzen. Dazu werden Quantenzustände empfangen, gespeichert und wieder ausgesendet. Das Projekt QMEM (QuantenMEMory) demonstriert den Fortschritt in der Miniaturisierung eines solchen komplexen Quantensystems. Anstatt konventionelle Vakuumsysteme und mehrachsige Laseroptiken einzusetzen, entwickelt das DLR miniaturisierte, auf Mikrotechnologie basierende Glaszellen für Quantengase. Diese Glaszellen halten ein Ultrahoch-Vakuum aufrecht, in dem Atomwolken mit Hilfe von Laserlicht und magnetischen Feldern in einer sogenannten Magneto-Optischen Falle (MOT) isoliert werden können. Diese Glaszellen kombinieren Vakuumkammer, Vakuumpumpe, Atomquelle, Temperatursensoren und Reflexionsgitter in ein zentimetergroßes System. Damit ist das Kernsystem des Quantenspeichers mehr als 20Mal kleiner und 100Mal leichter als herkömmliche Quantengassysteme.
QMEM demonstriert eine Teilentwicklung in der Technologie-Roadmap, kleine und kompakte Quantensysteme für die Anwendung zu entwickeln. Da QMEM für den Einsatz auf Kommunikationssatelliten abzielt, müssen alle Komponenten auch für Weltraumbedingungen geeignet sein. Neben der kompakten Bauweise sind dafür vor allem die Energieeffizienz sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und Vibrationen wichtig. Ein weiterer Aspekt ist die Einbettung des Quantenmemories in das komplexe Gesamtsystem eines Satelliten-basierten Quantennetzwerks. Ein solches System umfasst vielfältige anspruchsvolle technische Entwicklungen, vom Design einer geeigneten Konstellation, über die Entwicklung geeigneter Optischer Datenlinks für den Austausch von Quanteninformation bis hin zur Anbindung an Verschränkungsquellen. Diese komplexe Thematik wird innerhalb des DLR von verschiedenen Expertenteams bearbeitet und zeigt die besondere Leistungsfähigkeit des DLR, Hightech-Quantensysteme für Anwendungen der Zukunft zu realisieren.
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
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