Abschlussbericht zum Teilvorhaben Hybrid-Dünnschichten für On-Chip-Quantenspeicher im Verbundprojekt Netzwerkfähige Quantenspeicher mit Seltenerdionen (NEQSIS)

Abstract

Langzeit-Quantenspeicher sind die zentralen Bausteine für Protokolle der Quanteninformationsverarbeitung und für Quantensicherheitssysteme. Letztere basieren auf dem bekannten No-loning-Theorem, das besagt, dass Quantensignaturen nicht gefälscht werden können. Allerdings müssen solche Signaturen über einen langen Zeitraum bestehen bleiben, was wiederum lange Kohärenzzeiten erfordert. Die längste jemals beobachtete Spinkohärenz (6 Stunden) wurde in einem Seltenerd-dotierten, nahezu kernspinfreien optischen Kristall erzielt – trivalentes Europium in Yttriumorthosilikat (Eu³⁺:YSO). Diese Tatsache macht Seltenerd-basierte Festkörpersysteme zu den besten Kandidaten für die Langzeitspeicherung. Leider geht der Vorteil der langen Spinkohärenzzeiten von Seltenerd-Ionen (REIs) mit dem Nachteil sehr schwacher optischer Übergänge einher. Dadurch wird die optische Adressierung der REI-Spins ineffizient. In der Regel wird optische Quantenspeicherung unter Verwendung großer REI-Ensembles in REI-dotierten Kristallen mit relativ hoher Dotierungsdichte durchgeführt. Dies erfordert hohe Laser- und Mikrowellenleistungen, um die Spin-Ensembles zu initialisieren, Quanteninformationen in ihnen zu speichern und diese später wieder auszulesen. Darüber hinaus treten im gesamten REI-Ensemble Inhomogenitäten in den Laser-, Mikrowellen und statischen Magnetfeldern auf, was zu geringer Speicher- und Auslesegenauigkeit führt. Das Teilprojekt „Hybrid-Dünnschichten für On-Chip-Quantenspeicher“ zielte darauf ab, die oben genannten Probleme mit zwei unterschiedlichen Ansätzen zu lösen. Der erste Ansatz basierte auf einer Einkristall-Dünnschicht aus Praseodym-dotiertem Yttriumorthosilikat (Pr:YSO), die auf ein transparentes Substrat mit einem kleineren Brechungsindex als der des Films aufgebracht werden sollte, um Lichtleitung im YSO zu ermöglichen. Das resultierende „Sandwich“ sollte anschließend zu optischen Wellenleitern geformt und mit minimaler Grundfläche auf einem optischen Chip integriert werden. Ein kleiner Querschnitt des Wellenleiters führt zu einer starken Bündelung des Kontrolllaserfelds und der zu speichernden Photonen, während die kleine Grundfläche das Problem der Inhomogenität der Mikrowellen- und statischen Magnetfelder deutlich verringert. Diese Verbesserungen erhöhen die Effizienz der optischen Speicherung in REI-Ensembles erheblich. Die Aufgabe der USTUTT bestand in der Herstellung und Bereitstellung von Pr:YSO-Wellenleitern für die TUDA.