Präzise Quanten-Schnittstelle gebaut
Physiker der Universität Innsbruck berichten über den Bau einer effizienten und frei justierbaren Schnittstelle für Quantennetzwerke.
Quantentechnologien werden die Zukunft der Informationsverarbeitung und Kommunikation prägen. Schon heute transportieren Lichtleiter unvorstellbare Datenmengen rund um die Erde. Zukünftige Quantennetzwerke könnten noch um ein Vielfaches leistungsfähiger sein. Dafür notwendig sind allerdings Schnittstellen, mit denen die Information von Quantenprozessoren auf Lichtteilchen (Photonen) übermittelt werden kann.
Abb.: Herzstück des Experiments ist ein optischer Resonator, der aus zwei sehr stark reflektierenden Spiegel besteht. (Bild: C. Lackner)
Denn während Quantenpunkte und Ionen als vielversprechendste Kandidaten für die Realisierung von Quantenregistern gelten, werden für die Informationsübertragung auch in Zukunft Photonen zum Einsatz kommen. Daher suchen Physiker in aller Welt Möglichkeiten, mittels Verschränkung zwischen Materie und Licht Quanteninformation zwischen entfernten Quantenprozessoren zu übermitteln. Eine Forschungsgruppe um Rainer Blatt, Tracy Northup und Andreas Stute vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat im Labor nun erstmals eine effiziente und darüber hinaus frei einstellbare Schnittstelle zwischen einem einzelnen Ion und einem einzelnen Photon realisiert.
Dazu fingen Innsbrucker Experimentalphysiker ein Kalzium-Ion in einer Paul-Falle und platzierten es zwischen zwei sehr stark reflektierenden Spiegeln. Mit einem Laser regten sie das Ion an und erzeugten dabei ein mit dem Ion verschränktes Photon, das zwischen den Spiegeln reflektiert wurde. Über die Frequenz und Amplitude des Lasers ließ sich die Verschränkung zwischen Kalzium-Ion und Photon gezielt einstellen. Diese Methode hat zwei große Vorteile gegenüber allen bisherigen Ansätzen, Atome mit Lichtteilchen zu verschränken: „Die Ausbeute an verschränkten Photonen ist hier um ein Vielfaches höher und kann im Prinzip auf über 99 Prozent gesteigert werden“, erklärt die gebürtige US-Amerikanerin Tracy Northup. „Aber vor allem erlaubt uns dieser Aufbau, die Verschränkung zwischen dem Ion und dem Photon nach Belieben einzustellen.“
Dazu werden Frequenz und Amplitude des Laserlichts so verändert, dass Teilchen und Photon den gewünschten gemeinsamen Quantenzustand einnehmen. Herzstück des Experiments ist ein optischer Resonator, der aus zwei sehr stark reflektierenden Spiegeln besteht. Zwischen diesen Spiegeln wurden die Lichtteilchen bis zu 25.000 mal hin- und reflektiert, bevor die Forscher sie in einen Lichtleiter einkoppelten. „Neben der hohen Effizienz zeichnet sich die Verschränkung in unserem System durch die höchste bisher gemessene Präzision des verschränkten Quantenzustandes von Atom und Photon aus“, sagt Andreas Stute.
Das Experiment liefert wichtige Einsichten in die Interaktion von Licht und Materie und könnte beim Bau von Quantencomputern und in einem zukünftigen Quanteninternet Anwendung finden. „Überall dort, wo wir Quanteninformation von Recheneinheiten in Kommunikationskanäle übermitteln müssen, benötigen wir eine Übertragung von Teilchen auf Licht und umgekehrt“, erklärt Tracy Northup.
U. Innsbruck / PH
