Meterweite Quantenteleportation von Atom zu Atom

Qubit-Übertragung zwischen Ytterbium-Ionen, die durch „Entanglement Swapping“ verschränkt wurden.  

Bei der Quantenteleportation, der Fernübertragung von Quantenzuständen, ist ein neuer Meilenstein erreicht worden. Forscher um Chris Monroe von der University of Maryland haben Quantenbits oder Qubits zwischen zwei Atomen teleportiert, die einen Meter voneinander entfernt waren. Zwischen Photonen hat man zwar schon Teleportationen über hunderte von Metern durchgeführt, doch im Falle von Atomen konnte man bisher nur mikroskopische Entfernungen überbrücken. Eine weitere Besonderheit des neuen Experiments: Die quantenmechanische Verschränkung zwischen den Atomen, die für die Quantenteleportation nötig ist, fand ebenfalls über große Entfernungen hinweg statt.  

Die beiden Atome, zwei Ytterbium-Ionen, wurden in zwei elektromagnetischen Ionenfallen festgehalten, die einen Abstand von einem Meter hatten und sich in zwei verschiedenen Vakuumkammern befanden. Aus den Anregungszuständen der Atome wählten die Forscher zwei Hyperfeinzustände aus, die kurz als |0> und |1> bezeichnet werden. Mit Mikrowellenpulsen brachten sie die Atome in die Überlagerungszustände Ψ₁= a|0> + b|1> und Ψ₂=|0> + |1>. Der Zustand Ψ₁, der ein Quantenbit enthält, sollte vom ersten auf das zweite Atom teleportiert werden. Dazu wurde ein schon bei früheren Teleportationsexperimenten erprobtes Verfahren angewandt, bei dem die Atome zunächst in einen verschränkten Quantenzustand gebracht werden.  

Die Verschränkung der Atome erreichten Monroe und seine Kollegen, indem sie jedes Atom zunächst mit einem Photon verschränkten und dann diese Verschränkung auf das Atompaar übertrugen („Entanglement Swapping“). Gepulstes breitbandiges Laserlicht regte die Atome dazu an, jeweils ein Photon zu emittieren, dessen Energie („blau“ oder „rot“) davon abhing, ob das Atom im Zustand |0> oder |1> angeregt worden war. Der gemeinsame Zustand von Atom und Photon hatte dann z. B. die Form a|0>|rot> + b|1>|blau>. Atom und Photon waren somit verschränkt. Anschließend wurden die beiden Photonen durch Glasfasern aus den Vakuumkammern heraus geleitet, zusammengeführt und an einem Strahlteiler gemeinsam von Photodetektoren registriert. Die Photonenzustände wurden dadurch miteinander gemischt, und die Verschränkung ging von den Atom-Photon-Paaren auf das Atompaar über.  

Nun konnte die eigentliche Quantenteleportation beginnen. Die Forscher unterzogen das erste Atom einer Zustandsmessung, indem sie es mit abgestimmtem Laserlicht bestrahlten. Leuchtete das Atom auf, war es im Zustand |1>; blieb es hingegen dunkel, lag der Zustand |0> vor. Diese Information (0 oder 1) entschied darüber, was anschließend mit dem zweiten Atom geschah, dessen Zustand sich aufgrund der Verschränkung ebenfalls bei der Messung verändert hatte. Die Forscher setzten das zweite Atom einem Mikrowellenpuls aus, wobei dessen Form davon abhing, ob die Messung 0 oder 1 ergeben hatte. Nur diese binäre Information musste von der einen Vakuumkammer zur anderen übermittel werden. Das Qubit hingegen, das den ursprünglichen Quantenzustand Ψ₁ des ersten Atoms charakterisiert hatte, fand sich dann von selbst auf dem zweiten Atom wieder, das den Zustand Ψ₁ angenommen hatte.  

Umfangreiche Messungen zeigten, dass die Quantenteleportation in etwa 90 % aller Fälle erfolgreich war. Bisher ist das Verfahren jedoch noch sehr langsam. Obwohl die Atome 75000mal pro Sekunde Photonen abstrahlten, die mit ihnen verschränkt waren, kam nur etwa alle 12 Minuten eine Verschränkung der Atome zustande, die für die Teleportation nötig war. Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, die Effizienz ihres Verfahrens noch beträchtlich steigern zu können. Mit der Quantenteleportation ließen sich die in den Quantenzuständen von Atomen gespeicherten Qubits über große Entfernungen übertragen, ohne die Atome miteinander in Kontakt bringen zu müssen. Dies könnte einem zukünftigen Quantencomputer oder der Quanteninformationsverarbeitung zugute kommen.

RAINER SCHARF  

Weitere Infos :

• Originalveröffentlichung:
  S. Olmschenk et al.: Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits. Science 323, 486 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1167209 
• Gruppe von Christopher Monroe an der University of Maryland:
  http://www.iontrap.umd.edu/ 
  

Weitere Literatur:  

• D. L. Moehring et al.: Entanglement of single-atom quantum bits at a distance. Nature 449, 68 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06118
  http://www.iontrap.umd.edu/publications/archive/nature_449_68_moehring.pdf 
• S. Olmschenk et al.: Manipulation and Detection of a Trapped Yb⁺ Hyperfine Qubit. Phys. Rev. A 76, 052314 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.76.052314
  http://www.iontrap.umd.edu/publications/archive/PRA_76_052314_Olmschenk_YbQubit.pdf (frei)  
• M. S. Kim and Jaeyoon Cho: Teleporting a Quantum State to Distant Matter. Science 323, 469 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1169279

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