Die allermeisten modernen Quantentechnologien beruhen auf einem absolut unverzichtbaren Grundelement: der Übertragung von Photonen. Zwei Qubits tauschen dabei Information aus: Ein Qubit sendet ein Photon aus, das andere Qubit absorbiert es. Dieser Prozess funktioniert allerdings nicht perfekt. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon tatsächlich absorbiert wird, liegt deutlich unter hundert Prozent: Mit herkömmlichen Methoden lässt sich höchstens eine Erfolgsrate von rund 54 Prozent erreichen – in fast der Hälfte aller Fälle geht das Photon also verloren. Ein Team der TU Wien hat nun einen Vorschlag entwickelt, wie sich dieses Problem lösen lässt: Die Form des Photons muss umgekehrt werden – und das gelingt mit einem recht einfachen Trick.
„Wenn ein Qubit ein Photon aussendet, darf man sich das Photon nicht als winziges Teilchen vorstellen, das einfach herausgeschossen wird“, sagt Zeyu Kuang vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das Photon ist eine Welle, und eine Welle hat eine bestimmte Form und eine bestimmte Ausdehnung.“
Die Welle, die entsteht, wenn ein Photon von einem Qubit emittiert wird, hat eine sehr ähnliche Form: Am Anfang ist sie sehr ausgeprägt, danach klingt sie exponentiell ab. Man könnte sagen, die Welle des Photons sieht „zackenförmig“ aus.
Diese „Photonenzacke“ bewegt sich nun vom ersten Qubit weg und kann gezielt durch einen Wellenleiter zum zweiten Qubit geführt werden, wo sie absorbiert werden soll. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt allerdings von der Wellenform des Photons ab. Und genau diese „Zackenform“ – anfangs kräftig, danach abklingend – passt schlecht zu jener Wellenform, die das zweite Qubit am effizientesten absorbieren kann. Ein zeitumgekehrter Puls wäre wesentlich besser geeignet: Er steigt allmählich an und erreicht sein Maximum erst am Ende.
Mehr zu Quanteninformation
Optische Kontrolle von Kernspins in Molekülen
Quantencomputer werden vieldimensional
Mit Quanten zur Information
„Das folgt aus der Zeitumkehrsymmetrie in der Quantenmechanik“, erklärt Oliver Diekmann. „Unter idealen Bedingungen ist die Quantendynamik umkehrbar. Wenn ein Qubit ein Photon mit einer bestimmten Wellenform perfekt emittiert, dann sagt uns der zeitumgekehrte Prozess, welche Wellenform dieses Qubit perfekt absorbieren kann.“
Für das Wiener Team stellte sich daher die Frage: Wie lässt sich die zeitliche Wellenform des Photons umkehren? „Im Vakuum breitet sich Licht immer mit exakt derselben Geschwindigkeit aus, nämlich mit Lichtgeschwindigkeit“, sagt [🔎] Stefan Rotter. „In einem optischen Wellenleiter ist das aber nicht zwangsläufig der Fall. Unterschiedliche Frequenzkomponenten der Welle breiten sich schneller aus als andere – mathematisch wird das durch die sogenannte Dispersionsrelation beschrieben.“ Auf dieser Idee aufbauend schlagen die Forschenden vor, die beiden Qubits in einem Wellenleiter zu platzieren und dessen Dispersionsrelation so zu gestalten, dass sich die Wellenform eines emittierten Photonenpulses exakt umkehrt – wodurch theoretisch eine Absorptionswahrscheinlichkeit von hundert Prozent möglich wird.
„Wir haben berechnet, wie sich dieses Ziel erreichen lässt, und den Prozess am Computer simuliert“, sagt [🔎] Carlos Gonzalez-Ballestero. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der erforderliche Aufbau technisch umsetzbar sein sollte. Dieser passive Ansatz könnte die Absorption von Photonen durch Qubits deutlich verbessern und damit die Effizienz vieler Quantentechnologien steigern.“ [TU Wien / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
Z. Kuang, O. Diekmann, L. Fischer, S. Rotter, and C. Gonzalez-Ballestero, Passive Quantum State Transfer in a Dispersion-Engineered Waveguide, Phys. Rev. Lett. 137, 103605, 4. September 2026; DOI: 10.1103/m2md-rxkv - Quantum Magnonics (Carlos Gonzalez-Ballestero), Institut für Theoretische Physik, TU Wien
- Non-hermitian physics & complex scattering (Stefan Rotter), Institut für Theoretische Physik, TU Wien
