Atom-Photon-Verschränkung auf Knopfdruck

Verschränkung ist das wichtigste Werkzeug der Quanten­informatik. Sie liefert die essentielle Ressource für Quanten­computer und dient dem Transfer von Quanten­information in einem künftigen Quanten­netzwerk. Allerdings ist sie höchst empfindlich. Deshalb ist es eine enorme Heraus­forderung, ruhende Qubits auf Knopfdruck mit fliegenden Qubits in Form von Photonen zu verschränken. Dennoch gelang genau das einem Team um Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, nun mit parallel geschalteten Atomen. Die Atome sind zwischen zwei nahezu perfekten Spiegeln gefangen. Das garantiert eine zuver­lässige Wechselwirkung mit Photonen als fliegende Qubits. Mit Hilfe einer Multi­plexing-Technik gelang es den Wissenschaftlern, Atom-Photon-Verschränkung mit nahezu hundert­prozentiger Effizienz zu erzeugen – ein großer Schritt für die Verteilung von Verschränkung in einem Quanten­netzwerk.

Schnittstellen zwischen ruhenden und fliegenden Qubits kommen immer dann ins Spiel, wenn Quanten­information über längere Strecken verschickt werden soll. „Ein Aspekt ist die Kommunikation von Quanten­information über eine längere Distanz in einem zukünftigen Quanten­internet“, erklärt Emanuele Distante, der das Experiment als Postdoktorand betreute: „Der zweite Aspekt ist das Ziel, viele Qubits in einem verteilten Netzwerk zu einem mächtigeren Quantencomputer zu verbinden.“ Beide Anwendungen benötigen effiziente Schnittstellen zwischen ruhenden und fliegenden Qubits. Deshalb forschen viele Gruppen auf der ganzen Welt fieberhaft an quanten­mechanischen Licht-Materie-Schnittstellen.

Dabei werden unterschiedliche technische Ansätze verfolgt. Die Garchinger um Gerhard Rempe treiben seit vielen Jahren eine Methode mit ultrakalten Rubidium­atomen voran, die zwischen zwei nahezu perfekten Spiegeln als optischen Resonator schweben. Dabei steht ein künftiges Quanten­internet im Fokus. Dieser Ansatz hat einen system­immanenten Vorteil, denn so kann ein gefangenes Atom mit einem Photon, das wie ein Pingpong-Ball etwa zwanzig­tausend Mal zwischen beiden Spiegeln hin und her flitzt, hocheffizient wechselwirken. Da einer der beiden Spiegel minimal transparenter als der andere ist, verlässt das Photon das Spiegelkabinett in einer exakt vorbe­stimmten Richtung. So geht es nicht verloren, sondern lässt sich zuverlässig in eine Glasfaser einkoppeln. Wird dieses Photon durch ein bestimmtes Protokoll an Laserpulsen mit dem Atom verschränkt, dann bleibt diese Verschränkung während der Reise des Photons erhalten.

Bereits 2012 gelang es dem Garchinger Team, auf diese Weise ein Atom in einem Resonator via Photonen­funk durch eine sechzig Meter lange Glasfaser mit einem zweiten Atom in einem anderen Resonator zu verschränken. Mit Hilfe des Übertragungs­photons formten sie aus beiden Atomen ein ausgedehntes verschränktes Quantenobjekt. Allerdings darf das Photon unterwegs nicht in der Glasfaser verlorengehen, und genau das ist das Problem bei einer längeren Reise. Die Lösung, zumindest für mittlere Distanzen von einigen Kilometern, bietet Multiplexing. Das Multiplexing ist Standard­methode der klassischen Informations­technik, um die Übertragung robuster zu machen. Schickt man das Funksignal entlang mehrerer, paralleler Kanäle, dann steigt die Wahrschein­lichkeit, dass es durch mindestens einen Kanal beim Empfänger eintrifft.

„Ohne Multiplexing würde auch unser heutiges Internet nicht funktionieren“, erklärt Distante: „Aber diese Methode in Quanten­informations­systeme zu übertragen, ist eine besondere Herausforderung.“ Dabei ist das Multiplexing nicht allein interessant für eine sicherere Übertragung über längere Distanzen in einem künftigen Quanten­internet, sondern auch für ein lokales Quantennetzwerk. Ein Beispiel ist der verteilte Quanten­computer, der aus mehreren kleineren Prozessoren besteht, die über kurze Glasfasern verbunden sind. Dessen ruhende Qubits könnten durch Multiplexing zuverlässiger mittels fliegender Qubits verschränkt werden, um so ein verteiltes, mächtigeres Quanten­rechenwerk zu formen.

Die Herausforderung für die Garchinger bestand nun darin, mehrere Atome als ruhende Qubits in einen Resonator zu laden und einzeln anzusprechen. Nur wenn der Ort der Atome bekannt ist, lassen sich diese parallel mit jeweils einem Photon verschränken, um Multi­plexing zu erreichen. Dazu entwickelte das Team eine Technik, um sogenannte optische Pinzetten in den beengten Resonator einzubringen. „Die Spiegel haben einen Abstand von nur ungefähr einem halben Millimeter“, erklärt Doktorand Lukas Hartung.

Optische Pinzetten bestehen aus feinen Laser­strahlen, die stark genug sind, um in ihrem Fokus ein Atom einzufangen und präzise an den gewünschten Ort zu bringen. Dem Team gelang es, mit bis zu sechs solcher Laser­pinzetten entsprechend viele schwebende Rubidium­atome in dem Resonator zu einem sauberen Qubit-Raster anzuordnen. Da die Atome ohne weiteres eine Minute in der Falle verbleiben, was in der Physik eine kleine Ewigkeit darstellt, konnten sie bequem mit jeweils einem Photon verschränkt werden. „Das funk­tioniert annähernd zu hundert Prozent!“, betont Distante den entscheidenden Vorteil dieser Technik: Die Verschränkungs­verteilung funktioniert so nahezu deterministisch, also auf Knopfdruck.

Um das zu erreichen, musste das Team ein leistungs­starkes Objektiv mikrometergenau über dem Resonator anbringen, um die einzelnen Strahlen der Lichtpinzetten in das enge Spiegel­kabinett hinein zu fokussieren. Die Pinzetten­strahlen werden über akusto-optische Deflektoren erzeugt und lassen sich damit einzeln steuern. Das präzise Justieren der Laserpinzetten in der Optik erfordert viel Finger­spitzengefühl. „Diese Heraus­forderung zu meistern war der Grundstein für das Gelingen des Experiments“, bilanziert Stephan Welte, der die Technologie im Team mit­entwickelt hat und nun an der ETH Zürich forscht.

Das aktuelle Experiment lässt hoffen, dass die Methode ohne Verluste auf erheblich mehr Qubits hoch­skalierbar ist: Bis zu zweihundert Atome ließen sich maximal so in einem solchen Resonator ansteuern, schätzt das Team. Da sich diese Quantenbits in dem Resonator sehr gut kontrollieren lassen, wäre das ein enormer Fortschritt. Und da die Schnittstelle die verschränkten Photonen sogar zu hundert Prozent in die Glasfaser einspeist, wäre damit ein Netzwerk aus vielen Reso­natoren mit jeweils zweihundert Atomen als ruhende Qubits denkbar. Das ergäbe einen mächtigen Quanten­computer. Noch ist das Zukunftsmusik. Aber mit den Laser­pinzetten hat das Garchinger Team nun ein beachtliches Stück dieser Zukunft fest in den Griff genommen.