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Physiker konzipieren Quantenübersetzer von Mikrowelle zu Licht

07.11.2019

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 40/2019 und nicht zwingend tagesaktuell

Damit einmal Quanteninformation verlässlich zwischen Computern hin- und herverschoben werden kann, braucht es Wege, um die flüchtigen Signale aus dem Mikrowellen-Format in optische Signale zu übersetzen. In zwei neuen Arbeiten zeigen Forscher um den aus Österreich stammenden Physiker Simon Gröblacher nun, wie solche Quantenübersetzer realisiert werden könnten.

Ein Konzept zur Realisierung eines Quantencomputers, der einmal manche Aufgabe besser lösen soll als herkömmliche Computer, sind supraleitendende Schaltkreise. Dazu ist es notwendig, diese auf Temperaturen um den absoluten Nullpunkt (bei ungefähr minus 273 Grad Celsius) zu kühlen. Das Problem dabei ist, die sehr flüchtige Information aus diesen supraleitenden Schaltkreisen in Form von Mikrowellenphotonen unter normalen Temperaturbedingungen weiterzuleiten. Denn diese Signale gehen nach wenigen Zentimetern verloren, heißt es in einer Aussendung der Gruppe um Gröblacher und den beiden Hauptautoren Moritz Forsch und Robert Stockill von der Technischen Universität Delft (Niederlande), der auch Claus Gärtner von der Fakultät für Physik der Uni Wien angehört.

Übertragungen über große Distanzen

Dagegen schafft man mit Photonen im optischen Bereich mittlerweile Übertragungen über große Distanzen. "Daher ist es wichtig, Quanteninformation vom Mikrowellen- in den optischen Bereich und wieder zurück zu übertragen", so der Physiker. Ein prominenter Ansatz ist die Übersetzung mittels sogenannter mechanischer Oszillatoren, also kleinen Bauteilen, die die Information als Schwingung übertragen. Dieser Übertragungsweg litt bisher jedoch daran, dass der Temperaturunterschied zwischen dem möglichst abgeschirmten Quantenrechner und dem Oszillator für gehöriges thermisches Rauschen sorgte.

In der im Fachblatt "Nature Physics" erschienenen Arbeit konnten die Wissenschafter nun "kohärente Übertragung zwischen Mikrowellensignalen in Gigahertzbereich und der optischen Telekom-Bandbreite mit minimalem thermischen Hintergrundrauschen" demonstrieren. Das schaffte das Team, unter anderem indem es auch den mechanischen Oszillator extrem abkühlte.

Darüber hinaus verfolgt die Forschungsgruppe um Gröblacher eine weitere Verbesserung des Ansatz, über den sie im Fachjournal "Physical Review Letters" berichtet: Hier liegt der Fokus auf sogenannten piezoelektrischen Materialien. In diesen wird elektrischer Strom durch mechanisches Verformen erzeugt, was sie zu vielversprechenden Übersetzer-Kandidaten mache. Bisher verwendete Materialien erwiesen sich für reale Anwendungen durch die Quantenforscher jedoch als wenig geeignet. Die Physiker haben nun einen Bauteil aus Galliumphosphid konstruiert, der den Anforderungen gerecht werden könnte.

Service: Die Publikationen online: https://www.nature.com/articles/s41567-019-0673-7 und http://go.apa.at/awGCZwan

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