QuantenSpeicher

Quantenspeicher ist ein System, das Quanteninformation speichern und nach einer bestimmten Lagerzeit wieder abrufen kann. Typischerweise wird der Zustand eines Photons oder eines Spins in eine stabile Speichereinheit übertragen. Ziel ist es, Quanteninformationen unverändert zu erhalten, um Synchronisation und Verzögerungsausgleich in Quantenkommunikation und Quantencomputing zu ermöglichen.

Funktionsprinzip: Der gespeicherte Zustand wird in eine robuste Speichereinheit übertragen, oft in kollektive Spin-Anregungen eines Ensembles oder in definierte Energiezustände. Die Übertragung erfolgt über Kopplungen mit Steuerfeldern, zum Beispiel durch elektromagnetische Transparenz (EIT) oder Raman-Prozesse. Alternativ werden breitbandige Verfahren wie Atomic Frequency Comb (AFC) oder CRIB (Controlled Reversible Inhomogeneous Broadening) genutzt. Die Rückabwicklung rekonstruiert den ursprünglichen Zustand mit möglichst hoher Fidelity.

Plattformen: Optische Quanten Speicher nutzen häufig Atom-Ensembles oder seltene Erdionen-doped Kristalle. Typische Ansätze sind EIT-basierte Speicherung in Atomen oder Ionen sowie AFC- und CRIB-Verfahren, um Photonenqubits aufzunehmen und auf Abruf wieder freizusetzen. Festkörpermemorien verwenden dopierte Kristalle wie Pr3+:Y2SiO5 oder Eu3+:Y2SiO5 bei Tieftemperaturen und speichern Lichtqubits über optische Übergänge. Mikrowellenbasierte Speicher adressieren Quantenbits in Schaltkreisen über Superconducting-Qubits, während Hybridansätze versuchen, Stärken mehrerer Systeme zu kombinieren.

Leistung und Herausforderungen: Zentrale Kennzahlen sind Speichereffizienz, Fidelity, Lagerzeit, Bandbreite und Multimodalität (Mehrkanal- oder Mehrmoden-Speicherung). On-demand Retrieval ist wünschenswert. Hindernisse sind Rauschen, Dephasierung, Verluste und die Integration in größere Quanteninfrastrukturen sowie Skalierbarkeit und Betriebskosten.

Anwendungsgebiete: Quantenspeicher bilden das Rückgrat von Quantenvermittlungen (Quantum Repeaters) für lange Strecken, ermöglichen die Synchronisation von Quantenprozessoren und dienen als Pufferspeicher in hybriden Quantenarchitekturen.