Ytterbium: Der Quantenspeicher der Zukunft

Ein Metall der seltenen Erden, Ytterbium, könnte die Quantenkommunikation revolutionieren. Forschende der Universität Genf haben einen Weg gefunden, wie damit Quanteninformation schneller gespeichert werden kann. Die Entdeckung könnte zum Aufbau eines weltweiten Quantennetzwerks beitragen. Die Wissenschaftler, die mit Kollegen des Centre national de recherche scientifique (CNRS) in Frankreich zusammenarbeiteten, berichten über ihre Befunde in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Materials», wie die Uni Genf mitteilte.

Quantenkryptografie gilt als die Zukunft der Hochsicherheitskommunikation. Sie nutzt Glasfaserleiter, um Distanzen von mehreren hundert Kilometern überbrücken zu können. Die Quantenkryptografie verschlüsselt Informationen so, dass sie unmöglich abgefangen oder kopiert werden können, ohne die Information zu zerstören. Allerdings kann das Signal dementsprechend auch nicht verstärkt werden, um es über längere Distanzen zu verbreiten. Wissenschaftler forschen deshalb an Quantenspeichern, die das Signal verbreiten können, indem sie die Informationsträger, die Photonen, einfangen und synchronisieren. Auf diese Art können diese immer weiter verbreitet werden.

Obwohl es schon Prototypen solcher Quantenspeicher aus seltenen Erden gibt, sind diese bisher zu langsam. «Die Schwierigkeit liegt darin ein Material zu finden, das die Quanteninformation in den Photonen vor äusseren Einflüssen schützt, damit wir sie eine Sekunde lang festhalten können, um sie zu synchronisieren», wird Mikael Afzelius vom Departement für Angewandte Physik der Uni Genf in der Mitteilung zitiert. Damit sich der Speicher für die Nutzung als Repeater eignet, suchten Physiker und Chemiker zudem nach einem Element, das hochfrequent Informationen speichern und wiederherstellen kann. Isolation und hochfrequente Speicherung sind zwei Eigenschaften, die sich oft ausschliessen.

Fündig wurden die Forschenden im Element Ytterbium. Wenn man es bestimmten Magnetfeldern aussetzt, begibt sich das Ytterbium-Atom in einen Zustand von Insensitivität. So ist es den Störungen aus der Umwelt nicht mehr ausgesetzt. Dies macht es möglich, das Photon einzufangen. Die Wissenschaftler bauen nun Quantenspeicher aus Ytterbium, die es erlauben, schnell Informationen zwischen Repeatern auszutauschen. Gleichzeitig halten sie das Photon lange genug fest, um es zu synchronisieren. «Dieses Material eröffnet neue Möglichkeiten für ein globales Quantennetzwerk», so Afzelius.