Den bisher effektivsten Speicher für Licht und damit optische Daten hat jetzt ein internationales Forscherteam in Australien realisiert. Wie sie in „Nature“ berichten, basiert der neue Quantenspeicher auf einem speziellen Kristall, der das Laserlicht für kurze Zeit „stoppt“. Die nach Ende dieser Kristall-Licht-Wechelswirkung gemessenen Lichtpulse behielten dabei die ursprüngliche Form – und damit die Information – zum großen Teil bei.
Das Speichern und Auslesen von optischen Daten ist eine der großen Herausforderungen auf dem Weg zu echten Quantencomputern. Denn entsprechend der Heisenbergschen Unschärferelation verändert schon das Auslesen einer Quanteninformation ihre Form und ihren Inhalt. Daher arbeiten Forscher weltweit seit Jahren an Möglichkeiten, optische Speicher herzustellen, die Information konservieren und jederzeit wieder abrufbar machen. Gelungen ist dies jedoch nur mit Einschränkungen: Bisherige Quantenspeicher, meist basierend auf atomaren Gasen, blieben auf eine niedrige Photonenzahl und eine Effizienz von gerade mal 17 Prozent beschränkt.
Licht im Kristall „festgehalten“
Jetzt hat ein internationales Forscheteam unter Leitung von Wissenschaftlern der Australian National University einen neuartigen Quantenspeicher vorgestellt, der auf einem speziellen Kristall und ausgefeilter Lasertechnik basiert. Die Forscher hatten schon zuvor Experimente durchgeführt, bei denen sie Licht in einem Kristall mehr als eine Sekunde lang „stoppten“ – und damit mehr als tausendfach länger als bis dahin für möglich gehalten. Für den jetzigen Versuch lenkten sie das Licht von einem stabilisierten Trockenlaser über akusto-optische Modulatoren durch einen in einen Teflonblock eingespannten Praseodym-Kristall. Dieser war von vier Kupferelektroden umgeben. Der gesamte Komplex wurde mit Hilfe von flüssigem Helium auf minus 270°C heruntergekühlt.
Die optische Information wurde erzeugt durch einen gespaltenen Laserstahl, der den Kristall von zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen aus anregte. „Licht, das in den Kristall eintritt, wird so weit abgebremst, dass es stillsteht und dort bleibt, bis wir es wieder gehen lassen“, erklärt Forschungsleiter Morgan Hedges. „Wenn wir es dann wieder gehen lassen, bekommen wir alles wieder so heraus, wie es als dreidimensionales Hologramm hineingekommen ist, akkurat bis auf das letzte Photon.“ Die Forscher testeten diesen Aufbau sowohl mit Einzelphotonen als auch mit Lichtpulsen von bis zu 500 Photonen.
69 Prozent des Ausgangssignals
In Messungen bestimmten die Forscher die Quantenzustände der eintretenden und gespeicherten Lichtpulse und verglichen die Ergebnisse mit einem Modell. Es zeigte sch, dass die Effektivität der Speicherung, das heißt die Qualität der wieder abgegebenen Lichtpulse, bei rund 69 Prozent des Ausgangssignals lag – und damit deutlich höher als in vorhergehenden Experimenten und Ansätzen. Noch ist die Bandbreite durch die Hyperfeinstruktur auf rund 10 Megahertz limitiert, doch diese Beschränktung ließe sich nach Ansicht der Wissenschaftler aufheben, wenn Inhomogenitäten im Kristall bereinigt werden würden.
Quantenbotschaften und Verschränkungsforschung
„Wegen der inhärenten Unschärfe der Quantenmechanik, wird einige Information in diesem Licht in dem Moment verloren gehen, in dem es gemessen wird, das macht es zu einem Einmal-Hologramm“, so Hedges weiter. „Die Quantenmechanik garantiert uns, dass diese Information nur einmal gelesen werden kann und macht es damit perfekt für eine sichere Kommunikation.”
Doch auch für die Grundlagenforschung zum Phänomen der Verschränkung eignet sich der neue Kristall, so die Forscher: „Wir könnten den Quantenzustand zweier Speicher, das heißt zweier Kristalle verschränken“, so Teamleiter Matthew Sellars. „Nach den Regeln der Quantenmechanik wird das Auslesen eines Speichers sofort die im anderen gespeicherte Information verändert – egal, wie weit dieser entfernt ist. Nach der Relativitätstheorie wird die Zeit, die dabei für einen Speicher vergeht, bestimmt durch seine eigene Bewegung. Wenn wir wissen wollen, wie diese beiden fundamentalen Kräfte interagieren, brauchen wir ein geeignetes Experiment, wie diese Kristalle es bieten könnten.“
(Australian National University, 30.06.2010 – NPO)
