Posthum verschränkte Photonen

Auf Knopfdruck produzieren gefangene Atome Photonenpaare mit verschränkter Polarisation

Bei der Verarbeitung von Quanteninformationen können Atome und Licht gleichberechtigte Rollen spielen. Ein isoliert gehaltenes Atom kann in der quantenmechanischen Überlagerung zweier elektronischer Zustände ein Qubit speichern. Ein Photon hingegen kann das Qubit in seinem Polarisationszustand über große Entfernungen transportieren. Da dem Austausch des Qubits zwischen Atom und Photon entscheidende Bedeutung zukommt, wird er von vielen Forschergruppen intensiv untersucht. Jetzt berichten Gerhard Rempe und seine Mitarbeiter vom MPI für Quantenoptik in Garching, wie sie ein Qubit auf Knopfdruck von einem Atom auf ein Photon übertragen und dadurch ein verschränktes Photonenpaar erzeugt haben.

Abb: Einzelne Rubidium Atome werden in einem high-finesse optischen Resonator am Kreuzungspunkt zweier Strahlen (stehende Wellen) gehalten, die als Dipolfalle agieren. Eine CCD Kamera beobachtet die Atome innerhalb der Atomfalle. Im Detail-Bild rechts unten sieht man drei Atome, die im Strahl an die Resonator-Mode gekoppelt sind. (Bild: Weber et. al.)

Dazu wurden einzelne Rubidium-87-Atome zwischen die Spiegel eines optischen Hohlraumresonators gebracht und dort mit zwei Laserstrahlen festgehalten, die senkrecht zueinander und zur Resonatorachse standen. Mit einer CCD-Kamera überprüften die Forscher anhand des vom Atom gestreuten Lichtes, ob sich tatsächlich nur ein einziges Atom im Resonator befand. In einem früheren Verschränkungsexperiment hatten sie die Atome einzeln zwischen den Spiegeln herab rieseln lassen. Im Vergleich dazu hielten sich die gefangenen Atome viel länger im Resonator auf, so dass sie etwa 10000-mal so viele verschränkte Photonenpaare abstrahlen konnten.

Die Präparation eines Atoms in einem bestimmten Quantenzustand, der einem Qubit entsprach, und die Übergabe des Qubits an ein Photon liefen folgendermaßen ab. Zunächst wurde das Atom mit Laserlicht gekühlt, um seine störenden Bewegungen möglichst gering zu halten. Mit einem 4 µs langen Laserpuls wurde das gekühlte Atom optisch gepumpt und aus seinem Anfangszustand in einen Zwischenzustand gebracht, wo es von einem 0,5 µs langen Laserpuls angeregt wurde. Das angeregte Atom strahlte daraufhin ein Photon längs der Resonatorachse ab, das durch einen der beiden Spiegel entweichen konnte und mit einer Glasfaser zu einem Polarisationsanalysator geleitet wurde. Dieses Photon konnte rechts- oder linkzirkular polarisiert sein. Den entsprechenden Drehimpuls des Photons kompensierte das zurückbleibende Atom durch einen entgegengesetzten Drehimpuls.

Da dem Photon beide Polarisationsmöglichkeiten (+ oder -) offenstanden und es sich nicht für eine von beiden entscheiden musste, fanden sich das Atom und das Photon in einem verschränkten Zustand wieder: |Atom+,Photon-> + |Atom-,Photon+>. Ein weiterer 0,5 µs langer Laserpuls regte das Atom erneut an, sodass es ein zweites Photon abstrahlen konnte. Dieses Photon war ebenfalls zirkular polarisiert, da es den Drehimpuls des Atoms (und damit ein Qubit) aufnahm. Das Atom konnte daraufhin in seinen Anfangszustand zurückkehren und war nicht mehr mit dem ersten Photon verschränkt. An seine Stelle war jetzt das zweite Photon getreten. Die beiden verschränkten Photonen hatten den Zustand: |Photon2+,Photon1-> + |Photon2-,Photon1+>.

Auch das zweite Photon entwich dem optischen Resonator und wurde durch die Glasfaser zum Analysator geleitet, mit dem seine Polarisation gemessen wurde. Die Forscher richteten ihr Experiment so sein, dass das zweite Photon erst erzeugt wurde, nachdem sie die Polarisation des ersten Photons schon gemessen hatten. Die beiden Photonen waren gewissermaßen posthum miteinander verschränkt worden. Um die Güte der tatsächlich erreichten Verschränkung zu überprüfen, erzeugten Rempe und seine Mitarbeiter eine große Zahl von Photonenpaaren. Dazu wiederholten sie die Folge von Laserpulsen, mit denen das Atom gekühlt, gepumpt, angeregt und erneut angeregt wurde, 50000-mal in der Sekunde.

War das Atom nach einigen Sekunden schließlich doch aus dem Resonator entwichen, so wurde das nächste Atom hineingebracht und die Erzeugung von Photonenpaaren fortgesetzt. Dabei änderten die Forscher die Ausrichtungen der Polarisationsanalysatoren. Auf diese Weise konnten sie die Korrelationen zwischen den Polarisationen der verschränkten Photonen für unterschiedliche Polarisationsrichtungen messen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Korrelationen die Bellsche Ungleichung klar verletzten. Die Polarisationen der Photonen waren demnach stärker miteinander abgestimmt, als es sich mit Hilfe lokaler verborgener Parameter erklären ließe. Der experimentelle Verschränkungszustand stimmte mit dem theoretisch erwarteten hervorragend überein (ihr Überlapp betrug gut 90 %).

Mit ihrem Verfahren erzeugten die Garchinger Forscher im Durchschnitt etwa 370 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde, von denen sie allerdings nur 12 pro Sekunde auch nachweisen konnten. Da sie den Zeitpunkt der Photonenerzeugung bestimmen konnten, ließ sich überprüfen, wie lange ein Atom mit dem ersten Photon verschränkt blieb, bevor das zweite Photon erzeugt wurde. Es zeigte sich, dass die Verschränkung etwa 6 µs lang erhalten blieb, bevor sie durch die Bewegung des Atoms zerstört wurde. Die Forscher sind zuversichtlich, sowohl die Lebensdauer der Verschränkung (und damit des Qubits) als auch die Ausbeute an verschränkten Photonenpaaren noch beträchtlich erhöhen zu können.

RAINER SCHARF


Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  B. Weber et al.: Photon-Photon Entanglement with a Single Trapped Atom. (21.11.2008)
  http://arxiv.org/abs/0811.3612v1
• Gruppe von Gerhard Rempe am MPI für Quantenoptik in Garching:
  http://www.mpq.mpg.de/cms/mpq/en/departments/quanten/homepage_cms/index.html
  

Weitere Literatur

• T. Wilk et al.: Single-Atom Single-Photon Quantum Interface. Science 317, 488 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1143835
• Markus Hijlkema et al.: A single-photon server with just one atom. Nature Physics 3, 253 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys569
• Martin B. Plenio, S. Virmani: An introduction to entanglement measures. Quant. Inf. Comp. 7, 1 (2007)
  http://arxiv.org/abs/quant-ph/0504163v3

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