Mit der Erweiterung der Quantensysteme auf mehrere Quantenbits beschäftigt sich auch eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Ihnen ist es – ebenfalls im Juni 2007 – erstmals gelungen, zwischen einem stationären Quantenspeicher, dem Atom, und einem mobilen Medium, dem Photon, eine Schnittstelle herzustellen. Damit schufen sie eine wichtige Voraussetzung, um auch größere Quantencomputer aus einem Netz beliebig vieler kleiner Quantenspeicher zu konstruieren.

„Die bisherigen Systeme sind von ihrer Struktur her nicht skalierbar, lassen sich also nicht auf viele Qubits erweitern", erklärt Gerhard Rempe, Direktor des Garchinger Instituts. Ein solcher skalierbarer Quantenrechner könnte beispielsweise aus einem Netz von Qubits, etwa einzelnen Atomen, bestehen, die über Photonen miteinander kommunizieren.

Laserpulse regen das Rubidium-Atom dazu an, Photonen auszusenden. © H. Frater

Vom Atom zum Photon
Basis des Garchinger Systems bildet ein Rubidium-Atom, dessen interner Zustand in Form des Spins die Quanteninformation darstellt. Durch Laserpulse regten die Forscher das Atom dazu an, Photonen auszusenden. Theoretisch können diese eine von zwei möglichen Schwingungsrichtungen, die so genannte Polarisation, einnehmen. Wie es jedoch für Quantensysteme typisch ist, entscheiden sich weder das Atom noch das ausgesendete Photon für eine der beiden Möglichkeiten.

„Sie schlagen vielmehr beide Wege gleichzeitig ein und befinden sich dann in einem Zustand, in dem sich jeweils beide Möglichkeiten überlagern", erklärt Tatjane Wilk, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen. Auf eine bestimmte Möglichkeit legen sie sich erst fest, wenn entweder der Polarisationszustand des Photons oder der Spin des Atoms gemessen würde. Dann aber stünde gleich für beide die entsprechende Eigenschaft augenblicklich fest, da sich die beiden Teilchen in einer quantenmechanischen Verschränkung befinden.

Zweites Photon als Informationsträger
Jetzt jedoch gelang es den Wissenschaftlern, den Quantenzustand des Atoms auf ein zweites, ebenfalls vom Atom ausgesendetes Photon zu übertragen. Dadurch sind dann nicht mehr das Atom und das erste Photon verschränkt, sondern die beiden nacheinander emittierten Photonen. „Auf diese Weise lässt sich die in einem Atom gespeicherte Information wieder herauslesen", so Rempe.

Messungen der Polarisationszustände zeigen, dass beide Photonen tatsächlich miteinander verschränkt sind. Dies bedeutet, dass sowohl die Atom-Photon Verschränkung bei der ersten Aussendung zuverlässig funktioniert, als auch die vollständige Übertragung der Information auf das zweite Photon.

„Mit den einzelnen Atomen und einzelnen Photonen steht nun erstmals eine Schnittstelle zwischen einem digitalen Speicher und einem digitalen Überträger von Quanteninformationen zur Verfügung", erklärt Rempe. „In einem nächsten Schritt planen wir, Photonen aus zwei Atom-Resonator-Systemen zur Überlagerung zu bringen und dadurch zwei entfernte Quantenspeicher miteinander zu verschränken. Damit erhielten wir ein erstes, wenn auch noch kleines Quantennetzwerk."