Durch Lichtwellenleiter Distanz erzeugt
Mit Hilfe eines einzelnen Photons haben Innsbrucker Physiker zwei räumlich von einander getrennte Atome verschränkt.
Das Team vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck setzt mit dem Experiment erstmals einen Vorschlag von Theoretikern um Carlos Cabrillo und Peter Zoller aus dem Jahr 1999 um. Dabei werden zwei räumlich von einander getrennte Atome durch die Emission und Messung eines einzelnen Photons miteinander verschränkt. Die zwei Barium-Atome werden in einer Ionenfalle gefangen, mit Hilfe von Lasern stark abgekühlt und angeregt.
Abb.: Vom ersten Atom emittierte Photonen werden direkt in einen Lichtwellenleiter geleitet. Photonen des zweiten Atoms werden über einen entfernt liegenden Spiegel in den gleichen Lichtwellenleiter geschickt. (Bild: L. Slodika)
„Vom ersten Atom emittierte Photonen werden direkt in einen Lichtwellenleiter geleitet“, erklärt Lukas Slodika, Erstautor der Studie. „Photonen des zweiten Atoms leiten wir über einen entfernt liegenden Spiegel in den gleichen Lichtwellenleiter und stellen so virtuell eine Distanz von einem Meter zwischen den Quantenteilchen her.“ Gleichzeitig garantiert dieser Ansatz ein wesentliches Merkmal dieses neuen Experiments: „Kann der Detektor am Ende des Lichtwellenleiters nicht mehr unterscheiden von welchem Atom das ausgesandte Photon stammt, dann sind die Quantenzustände der beiden Atome miteinander verschränkt“, sagt Slodika.
Die Experimentalphysiker aus dem Team von Rainer Blatt müssen dabei nanometergenau arbeiten, um stabile Messungen zu gewährleisten. „Wenn diese Bedingung erfüllt ist, erreichen wir mit diesem experimentellen Ansatz eine sehr hohe Verschränkungsrate“, sagt Markus Hennrich, der ebenfalls beteiligt war. In bisherigen Experimenten wurde mit zwei Atomen gearbeitet, die je ein Photon zu den Detektoren senden müssen. „Bis zur Detektion von zwei Photonen muss ungefähr eine Million mal gemessen werden“, erzählt der gebürtige Slowake Lukas Slodika, der seit 2008 in Innsbruck forscht. „Bei der neuen Methode genügt es ein einzelnes Lichtteilchen zu detektieren, so dass wir etwa alle 1000 Messungen ein einen verschränkten Zustand der beiden Atome erzeugen.“ Das sei ein enormer Fortschritt und für die praktische Nutzung von großer Bedeutung.
„Wir können also die inneren Zustände zweier Atome über ein einzelnes Photon gezielt und mit hoher Effizienz verschränken“, sagt Markus Hennrich.
Gleichzeitig ließen sich mit den einzelnen Atomen auch Quantenoperationen durchführen. Das eröffnet den Weg für Anwendungen in großen Quantennetzwerken. „So könnten zum Beispiel zwei Quantencomputer auf diese Weise über Lichtwellenleiter miteinander verbunden werden“, schlägt Slodika vor. Denn miteinander verschränkte Quantenobjekte verfügen immer über die gleichen physikalischen Eigenschaften. Darauf basieren viele Vorschläge für zukünftige Quantentechnologien, zum Beispiel für die Kommunikation, Kryptografie oder die Informationsverarbeitung.
U. Innsbruck / PH
