Mit Lichtgeschwindigkeit ins Quanten-Internet
Quanteninformation eines Atoms vollständig auf ein Lichtteilchen übertragen und über eine Glasfaser zu einem entfernten Atom geschickt.
Dank der besonderen Gesetze der Quantenmechanik können Quantencomputer bestimmte Rechenaufgaben sehr viel schneller lösen als herkömmliche Computer. Eine der vielversprechendsten Technologien zum Bau eines Quantencomputers sind Systeme mit einzelnen Atomen, die in sogenannten Ionenfallen gefangen und mit Lasern manipuliert werden. Im Labor wurden auf diese Weise schon wesentliche Bausteine eines zukünftigen Quantencomputers experimentell getestet. „Wir können heute mit Atomen bereits erfolgreich Quantenrechnungen durchführen“, erklären Andreas Stute und Bernardo Casabone vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Was aber noch fehlt, sind funktionstüchtige Schnittstellen mit denen die Quanteninformation über Lichtleiter von einem Computer zum nächsten übertragen werden kann.“
Abb.: Die Quanteninformation eines ionisierten Atoms wird in den Polarisationszustand eines Lichtteilchens eingeschrieben. (Bild: H. Ritsch, U. Ibk.)
Weil man Quanteninformation aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik aber nicht einfach kopieren kann, stellt der Bau solcher Schnittstellen eine große Herausforderung dar. Für ein zukünftiges Quanten-Internet muss die Quanteninformation gezielt auf einzelne Lichtteilchen übertragen werden. Diese werden dann über Glasfasern an die angeschlossenen Quantencomputer übertragen. Die Forscher um Tracy Northup und Rainer Blatt berichten nun, wie sie im Labor erstmals die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon übertragen haben.
Die Physiker fangen dazu ein einzelnes Kalziumatom in einer Ionenfalle und positionieren es zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln. „Mit einem Laser schreiben wir die gewünschte Quanteninformation in den elektrischen Zustand des Atoms ein“, erklärt Stute. „Das Atom wird dann mit einem zweiten Laser angeregt und sendet dabei ein Photon aus. In diesem Moment schreiben wir die Quanteninformation des Atoms in den Polarisationszustand des Photons ein und übertragen sie so auf das Lichtteilchen.“ Das Photon wird zwischen den Spiegeln gespeichert, bis es schließlich durch den weniger stark reflektierenden Spiegel davon fliegt. Die beiden Spiegel lenken das Photon in eine ganz bestimmte Richtung. So kann es gezielt in die Glasfaser geleitet werden. Die im Photon eingeschriebene Quanteninformation lässt sich so über die Glasfaser an einen entfernten Quantencomputer leiten und dort mit dem gleichen Verfahren wieder in ein Atom einschreiben.
U. Ibk. / OD
