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Montag, 16.01.2017
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Informationsaustausch am Quantenlimit

Einzelnes Photon überträgt Geheimnis auf einzelnes Atom

Forschern ist es erstmals gelungen, die in einem einzelnen Photon kodierte Quanteninformation auf ein einzelnes Atom zu übertragen, dort für eine gewisse Zeit abzuspeichern und anschließend wieder auszulesen.
Rubidiumatom als Quantenspeicher

Rubidiumatom als Quantenspeicher

„Damit verfügen wir über einen universellen Knoten für ein Quantennetzwerk“, erläutert Professor Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik die Bedeutung der Ergebnisse.

Das Experiment öffnet damit neue Perspektiven für die Realisierung skalierbarer Quantennetzwerke, in denen Quanteninformation mittels Photonen über weite Strecken kommuniziert und zwischen mehreren Knoten verteilt wird, berichtet Rempe zusammen mit seinen Kollegen in der aktuellen Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Nature“.

Miniaturisierung ist Trumpf


Aufgrund der ständig fortschreitenden Miniaturisierung der für die Informationsspeicherung genutzten Strukturen werden mittlerweile Grenzen erreicht, an denen nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern die der Quantenmechanik gelten. Der kleinste denkbare Speicherbaustein besteht nur noch aus einem einzelnen Atom, während die kleinste mögliche Einheit für die optische Datenkommunikation ein einzelnes Lichtquant – Photon - ist. Darüber hinaus lassen sich die speziellen Eigenschaften der Quantenteilchen für neuartige Anwendungen nutzen, beispielsweise für die abhörsichere Datenübertragung, die Quantenkryptographie.


Dies erfordert allerdings die Entwicklung neuer Konzepte für die Übermittlung und Verarbeitung von Informationen. Ein erfolgversprechendes Konzept ist ein Netz aus miteinander kommunizierenden Quantenspeichern. Hier muss zum einen die in einem stationären Quantensystem enthaltene Quanteninformation auf ein Photon übertragen werden. Solch einen Sender für Lichtquanten basierend auf einem einzelnen Atom hat die Abteilung Quantendynamik bereits vor einigen Jahren realisiert.

Atomare Ensembles


Zum anderen muss das photonische Quantenbit wieder in ein stationäres Speicherelement eingeschrieben und von dort möglichst unverfälscht wieder ausgelesen werden. Diesen Anforderungen genügten bisher nur Speicher auf Basis atomarer Ensembles aus mehreren tausend Teilchen, auf welche die Quanteninformation als kollektive Anregung abgebildet wird.

Vorteilhafter ist es jedoch, die Information direkt zwischen einzelnen Quantenteilchen aus Licht bzw. Materie auszutauschen, die sich gezielt adressieren und manipulieren lassen. Dies würde praktische Anwendungen, zum Beispiel in Quantencomputern, erleichtern.

Rubidiumatom als Quantenspeicher


Im neuen Experiment haben die Max-Planck-Forscher erstmals ein einzelnes Rubidiumatom als Quantenspeicher genutzt. Um seine naturgemäß schwache Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon zu erhöhen, fangen die Garchinger Physiker das Atom in einem aus zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildeten optischen Resonator.

Dort wird es mit Laserstrahlen festgehalten, während das einlaufende Photon etwa zwanzigtausendmal zwischen den Spiegeln hin und her läuft. Zunächst soll die in dem Lichtquant gespeicherte Quanteninformation auf das Atom übertragen werden.

Kohärente Überlagerung


„Im Unterschied zu einem klassischen Bit, das eindeutig einen von zwei Werten, z.B. Null oder Eins repräsentiert, handelt es sich bei Quantenbits stets um eine kohärente Überlagerung aus zwei Quantenzuständen“, erklärt Holger Specht, Wissenschaftler am Experiment. „Dementsprechend kodieren wir das Photon durch eine kohärente Überlagerung aus zwei Polarisationszuständen, zum Beispiel rechts- und linkszirkularer Polarisation.“

Lichtpulse aus einem Steuerlaser initiieren die Übertragung der optischen Quanteninformation: das Atom geht in einen Zustand über, der – und dies ist der Trick – aus einer kohärenten Überlagerung zweier Unterniveaus besteht. Die relativen Anteile der beiden Unterzustände entsprechen dabei den jeweiligen Anteilen der beiden Polarisationszustände des Eingangsphotons, so die Forscher.

Auch das Auslesen des Photons erfolgt ihren Angaben zufolge mithilfe des Steuerlasers. Nun läuft der Prozess in umgekehrter Reihenfolge ab und das photonische Quantenbit wird wieder freigesetzt. Die Effizienz dabei beträgt rund zehn Prozent. Mehrere Versuchsreihen, bei denen die Polarisationszustände des Photons variiert wurden, ergaben, dass die Übereinstimmung mit dem Eingangsphoton immer bei über 90 Prozent liegt.

„Hardware“ besteht nur aus einem Atom


„Das ursprüngliche Lichtquant wird mit unserem Verfahren weit besser reproduziert als es mit klassischen Messverfahren je möglich wäre“, erläutert Christian Nölleke, Doktorand am Experiment. Sowohl in der Effizienz als auch in der Reproduzierbarkeit der Quanteninformation liegt das System gleichauf mit den besten Quantenspeichern weltweit, obschon die „Hardware“ nur aus einem einzigen Atom besteht. Gleichzeitig wird die fragile Quanteninformation fast 200 Mikrosekunden lang gespeichert. Das übertrifft alle bisher mit optischen Quantenspeichern erreichten Werte.

„Sowohl Reproduzierbarkeit als auch Speicherzeiten lassen sich durch eine Optimierung der experimentellen Randbedingungen sogar noch deutlich steigern“, betont Stephan Ritter, Wissenschaftler in der Abteilung Quantendynamik.

Nächstes Ziel: elementares Quantennetzwerk


Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler mit diesem Verfahren ein elementares Quantennetzwerk aus zwei miteinander kommunizierenden Knoten realisieren.

Des Weiteren eignet sich der demonstrierte Speicherbaustein den Wissenschaftlern zufolge aufgrund seiner universellen Eigenschaften auch für die Entwicklung optischer Quantenrepeater und Quantengatter, die für die Übertragung von Quanteninformationen über große Distanzen und die Realisierung eines Quantencomputer benötigt werden. (Nature, Advance Online Publication, 2011; doi:10.1038/nature09997)
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik,, 02.05.2011 - DLO)
 
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