Scheibenlaser-Aufbau zur Entwicklung einer rauscharmen Pumpquelle für die Quantenfrequenzkonversion. (Bild: Fraunhofer IAF)
Quantencomputer vernetzen und deren Leistungsfähigkeit erhöhen, Kommunikationskanäle abhörsicher verschlüsseln oder Atomuhren synchronisieren: Das Quanteninternet verspricht deutliche Verbesserungen in technologischen Schlüsselbereichen. Um das Quanteninternet im bestehenden Glaserfasernetz zu realisieren, sind jedoch Quantenfrequenzkonverter nötig, die die Wellenlänge von Photonen an das Telekomband (1550 nm) anpassen können. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt »HiFi – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie« arbeiten Forschende deshalb an den nötigen Technologien, um Quantenfrequenzkonverter (QFK) mit hoher Effizienz und geringem Rauschen für erste Teststrecken bereitzustellen.
2,4 W Ausgangsleistung bei absoluter Frequenzstabilität
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat mit der Entwicklung von Scheibenlasern (vertical-external-cavity surface-emitting-laser, VCSEL) auf Basis von Galliumantimonid (GaSb) zum Projekt beigetragen, die als rauscharme Pumpquelle die Quantenfrequenzkonversion ermöglichen. Es handelt sich um optisch gepumpte, oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator und Intracavity-Filter für die Wellenlängenselektion. Je nach verwendeter Ausgangswellenlänge der Qubits decken die spektral schmalbandigen Pumpquellen gezielt eine Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,5 µm ab und erreichen bei einer Stabilität der absoluten Wellenlänge von unter 2 fm bis zu 2,4 W Ausgangsleistung. Das entspricht einer Frequenzstabilität von unter 100 kHz und unterschreitet klar die Frequenzstabilitätsklasse 1E-9. Ermöglicht hat das Ergebnis die enge Kooperation mit Menlo Systems. Gemeinsam haben die Projektpartner den Scheibenlaser auf einen Frequenzkamm gelockt, der wiederum an eine 10-MHz-Referenz gekoppelt war.
Bei ihren Versuchen haben die Forschenden die Emissionswellenlänge exakt auf die Zielwellenlänge für Demonstrationsexperimente an der Faserstrecke der Universität des Saarlandes eingestellt (2062,40 nm), an die das Fraunhofer IAF das Lasermodul mittlerweile übergeben hat. Neben der Leistungsskalierung bilden das genaue Verständnis des Modenverhaltens der Laser sowie die Identifizierung und Elimination der Rauschquellen die wichtigsten Forschungsaufgaben des Fraunhofer IAF im »HiFi«-Projekt.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
Quantenfrequenzkonversion mithilfe von Pumplasern
Bei der Quantenfrequenzkonversion wird durch einen Differenzfrequenzprozess in einem nichtlinearen optischen Kristall die Energie des Pumpphotons vom Signalphoton abgezogen. Um einen rauscharmen Prozess zu gewährleisten, muss dabei die Energie der Pumpphotonen unterhalb der Zielwellenlänge (meist 1550 nm) liegen, da sonst der Pumplaser durch parasitäre Effekte Photonen im Ausgangssignal erzeugen kann.
Die am Fraunhofer IAF entwickelten Scheibenlaser erfüllen in Kombination mit dem Frequenzkamm von Menlo die Anforderungen der Quantenfrequenzkonversion, da ihre Schmalbandigkeit und Wellenlängenstabilität Fluktuationen der Pumpwellenlänge und folglich Veränderungen der Zielwellenlänge der Qubits verhindern. Bei einer Abweichung oberhalb der natürlichen Linienbreite wäre die Ununterscheidbarkeit der Qubits nicht mehr gegeben, wodurch eine Grundvoraussetzung für die nachfolgende quantenmechanische Verarbeitung wegfiele.