Einzelnes Atom speichert Quanteninformation
Mit einem denkbar winzigen Speicher könnte sich ein leistungsfähiger Quantencomputer konstruieren lassen.
Kleiner kann ein Datenspeicher kaum sein: In einem einzelnen Atom haben Forscher um Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching Quanteninformation gespeichert. Die Forscher schrieben den Quantenzustand einzelner Photonen, das sind Lichtteilchen, in ein Rubidium-Atom und lasen diesen nach einer gewissen Speicherdauer wieder aus. Dieses Verfahren lässt sich prinzipiell nutzen, um leistungsfähige Quantencomputer zu konstruieren und über große Distanzen miteinander zu vernetzen.
Ein einzelnes Atom als Datenspeicher: In ein Rubidium-Atom zwischen zwei Spiegeln haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik Quanteninformation geschrieben und nach einer gewissen Speicherzeit wieder ausgelesen. (Bild: Andreas Neuzner, MPQ)
Um die naturgemäß schwache Wechselwirkung des Rubidium-Atoms mit einem einzelnen Photon zu erhöhen, fingen die Garchinger Physiker das Atom in einem aus zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildeten optischen Resonator. Dort wurde es mit Laserstrahlen festgehalten, während das einlaufende Photon etwa zwanzigtausendmal zwischen den Spiegeln hin und her lief. Zunächst sollte die in dem Lichtquant gespeicherte Quanteninformation auf das Atom übertragen werden. „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 kodierten wir das Photon durch eine kohärente Überlagerung aus zwei Polarisationszuständen, z.B. rechts- und linkszirkularer Polarisation.“
Lichtpulse aus einem Steuerlaser initiierten die Übertragung der optischen Quanteninformation: das Atom ging dadurch in einen Zustand über, der aus einer kohärenten Überlagerung zweier Unterniveaus bestand. Die relativen Anteile der beiden Unterzustände entsprachen dann den jeweiligen Anteilen der beiden Polarisationszustände des Eingangsphotons. Auch das Auslesen des Photons erfolgte mithilfe des Steuerlasers. Dabei lief der Prozess in umgekehrter Reihenfolge ab und das photonische Quantenbit wurde wieder freigesetzt. Die Effizienz dabei betrug rund 10 Prozent. Mehrere Versuchsreihen, bei denen die Polarisationszustände des Photons variiert wurden, ergaben, dass die Übereinstimmung mit dem Eingangsphoton immer bei über 90 Prozent liegt.
Sowohl in der Effizienz als auch in der Reproduzierbarkeit der Quanteninformation liegt das System gleichauf mit den besten Quantenspeichern weltweit, obwohl die „Hardware“ nur aus einem einzigen Atom besteht. Gleichzeitig wird die fragile Quanteninformation fast 200 Mikrosekunden lang gespeichert. Das übertrifft nach Aussage der beteiligten Wissenschaftler alle bisher mit optischen Quantenspeichern erreichten Werte. Im nächsten Schritt wollen die Forscher mit diesem Verfahren ein elementares Quantennetzwerk aus zwei miteinander kommunizierenden Knoten realisieren. Des Weiteren eignet sich der hier demonstrierte Speicherbaustein 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.
Max-Planck-Institut für Quantenoptik / MPG / AL
