Interface für Quantencomputer

Erstmals gelang es, den Quantenzustand eines Rubidiumatoms auf ein einzelnes Photon zu schreiben. Das Ergebnis ist eine Schnittstelle zwischen stationärem Quantenspeicher und mobilem Medium.

Ein Quantencomputer könnte Daten in einem Netz einzeln adressierbarer Atome speichern und mit Photonen rechnen. Dafür müssen Physiker jedes einzelne Atom jedoch dazu bringen, seine Information gezielt auf ein einzelnes Photon zu übertragen. Das ist einem Team um Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik nun erstmals gelungen. Sie haben den Quantenzustand eines Rubidiumatoms auf ein einzelnes Photon geschrieben. Damit haben sie die Schnittstelle zwischen einem stationären Quantenspeicher, dem Atom, und einem mobilen Medium, dem Photon als Überbringer der Botschaft geschaffen. Das ist eine wichtige Voraussetzung, um Quantencomputer aus einem Netz beliebig vieler Quantenspeicher zu konstruieren.

Quantensysteme, die elementare Quantenrechnungen erfolgreich ausführen, gibt es schon seit einigen Jahren. Bislang operieren sie aber nur mit wenigen Quantenbits oder Qubits – Atomen oder Ionen, die in der Quantenwelt die Aufgaben der klassischen Bits übernehmen. „Die bisherigen Systeme sind von ihrer Struktur her nicht skalierbar, lassen sich also nicht auf viele Qubits erweitern“, erklärt Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Ein skalierbarer Quantenrechner könnte aus einem Netz von Qubits, etwa einzelnen Atomen, bestehen, die über Photonen miteinander kommunizieren. Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter seiner Leitung hat jetzt eine Voraussetzung für einen skalierbaren Quantencomputer geschaffen. Sie haben nämlich eine Schnittstelle zwischen einem Qubit und einem Photon verwirklicht.

Abb.: An der Schnittstelle zwischen Atom und Photon: Ein Atom in einem optischen Resonator wird durch Laserblitze zur Emission eines verschränkten Photonenpaares stimuliert. Die Farben Rot und Blau symbolisieren zwei Spinzustände des Atoms beziehungsweise zwei Polarisationszustände der Photonen. (Bild: Max-Planck-Gesellschaft)

Die Garchinger Forscher kodierten die Quanteninformation im internen Zustand eines Rubidiumatoms. Dieser Zustand ist mit dem Polarisationszustand eines Photons, der die Schwingungsrichtung des Lichtquants beschreibt, verknüpft. Kernstück dieser Einzel-Atom-Einzel-Photon-Schnittstelle ist ein von zwei hoch reflektierenden Spiegeln gebildeter optischer Resonator, der ein einzelnes Rubidiumatom enthält. Dieses Rubidiumatom regen die Wissenschaftler mit Laserpulsen zum Leuchten an. Der Abstand zwischen beiden Spiegeln des Resonators sorgt dafür, dass das Atom nur Photonen einer bestimmten Frequenz in einer genau definierten Richtung emittiert. Mit einem Atom im freien Raum ist dies nicht zu bewerkstelligen.

Das Atom hat bei der Emission des Photons nun zwei Möglichkeiten: Es sendet entweder ein rechts-zirkular oder ein links-zirkular polarisiertes Photon aus. Da der Gesamtdrehimpuls erhalten bleiben muss, rotiert das Atom dabei jeweils in die Gegenrichtung. Das heißt, sein Spin zeigt entweder nach oben (UP) oder nach unten (DOWN). Wie es für Quantensysteme typisch ist, entscheiden sich jedoch weder das Atom noch das ausgesendete Photon für eine der beiden Möglichkeiten. „Sie schlagen vielmehr beide Wege gleichzeitig ein und befinden sich dann in Superpositionszuständen, in dem sich jeweils beide Möglichkeiten überlagern“, erklärt Tatjane Wilk, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen. Auf eine bestimmte Möglichkeit würden sie sich erst festlegen, sobald entweder Polarisationszustand des Photons oder der Spins des Atoms gemessen würde. Dann aber stünde für beide die entsprechende Eigenschaft augenblicklich fest – obwohl sich nur eines in einer Messung offenbaren müsste. Die beiden Teilchen befinden sich also in einer quantenmechanischen Verschränkung.

Den Quantenzustand des Atoms haben die Physiker nun noch zuverlässig auf ein zweites Photon übertragen, sodass nun nicht mehr das Atom und das erste Photon verschränkt sind, sondern die beiden nacheinander emittierten Photonen. „Auf diese Weise lässt sich die in einem Atom gespeicherte Information wieder herauslesen“, sagt Gerhard Rempe. Zu diesem Zweck haben die Wissenschaftler das Atom wieder mithilfe eines Laserpulses zur Aussendung eines Photons stimuliert. Dabei geht nun der atomare Zustand UP in ein links-zirkular polarisiertes Photon über, der Zustand DOWN in ein rechts-zirkular polarisiertes. Alle Eigenschaften des gewissermaßen zweideutigen atomaren Zustandes werden dabei auf die Polarisation des zweiten Photons übertragen. Auf diese Weise entstehen nacheinander zwei verschränkte Photonen.

Durch Messung der Polarisationszustände beider Photonen haben die Wissenschaftler die Verschränkung experimentell nachgewiesen. Dies bedeutet, dass sowohl die Atom-Photon Verschränkung bei der ersten Photoemission mit hoher Zuverlässigkeit funktioniert, als auch dass die Schnittstelle zwischen Atom und Photon die Quanteninformation des Atoms vollständig auf das zweite Photon überträgt. „Mit den einzelnen Atomen und einzelnen Photonen steht nun erstmals eine Schnittstelle zwischen einem digitalen Speicher und einem digitalen Überträger von Quanteninformationen zur Verfügung“, betont Gerhard Rempe. „In einem nächsten Schritt planen wir, Photonen aus zwei Atom-Resonator-Systemen zur Überlagerung zu bringen und dadurch zwei entfernte Quantenspeicher miteinander zu verschränken. Damit erhielten wir ein erstes, wenn auch noch kleines Quantennetzwerk.“

Quelle: MPG / [T.W./O.M.]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Tatjana Wilk, Simon C. Webster, Axel Kuhn, Gerhard Rempe, Single-Atom Single-Photon Quantum Interface, Science Express (21. Juni 2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1143835
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching:
  http://www.mpq.mpg.de