Quantenpunkte an der Strippe
Photonen aus Quantendots lassen sich in entfernten Ionen speichern.
Große Herausforderungen nimmt man am besten gemeinsam in Angriff. In einem Team kann jedes Mitglied seine individuellen Stärken einbringen. Da ist zum Beispiel der schusselige Wissenschaftler, der zwar brillante Ideen hat, diese aber schnell wieder vergisst. Er benötigt die Hilfe seines gewissenhaften Kollegen, der emsig alles notiert, um den Wirrkopf später daran erinnern zu können. Ganz ähnlich ist es in der Welt der Quanten. Dort übernehmen die so genannten Quantendots (qDots) die Rolle des vergesslichen Genies. Quantendots sind zwar unschlagbar schnell, wenn es um die Verarbeitung von Quanteninformationen geht. Leider vergessen sie das Ergebnis dieser Berechnung aber ebenso rasch wieder – zu rasch, um in einem Quantencomputer wirklich nützlich zu sein.
Abb.: Ein Quantendot emittiert ein Photon, das von einem 25 Meter entfernten Ion absorbiert wird. (Bild: APS / A. Stonebraker)
Ionen haben dagegen ein exzellentes Gedächtnis: Sie können Quanteninformationen für viele Minuten speichern. Zum schnellen Rechnen eignen sie sich bisher allerdings weniger, da die internen Prozesse vergleichsweise langsam ablaufen. Physiker aus Bonn und Cambridge haben daher beide Bausteine, qDots und Ionen, zur Teamarbeit verdonnert.
qDots gelten bei der Entwicklung von Quantencomputern als große Hoffnungsträger. Im Prinzip sind sie extrem miniaturisierte Elektronenspeicher. qDots lassen sich mit denselben Techniken wie normale Computerchips herstellen. Dazu muss man die Strukturen auf den Chips nur so verkleinern, bis sie nur noch ein einziges Elektron fassen – im herkömmlichen PC sind es dagegen 10 bis 100 Elektronen.
Das in einem qDot gespeicherte Elektron kann Zustände annehmen, wie sie durch die Quantentheorie vorhergesagt werden. Allerdings sind diese sehr kurzlebig: Sie zerfallen binnen weniger Picosekunden. Bei diesem Zerfall entsteht ein kleiner Lichtblitz. Der Zustand des qDots bestimmt, welche Polarisationsrichtung das Photon hat. „Wir haben das Photon genutzt, um damit ein Ion anzuregen“, erläutert Michael Köhl vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Dabei haben wir gespeichert, welche Polarisationsrichtung das Photon hatte.“
Dazu brachten die Forscher eine dünne Glasfaser an dem qDot an. Über diese Faser transportierten sie das Photon zum viele Meter entfernten Ion. Ganz ähnlich arbeiten Glasfasernetzwerke, wie sie in der Telekommunikation eingesetzt werden. Um die Informationsübertragung möglichst effizient zu machen, hatten sie das Ion zwischen zwei Spiegel gesperrt. Die Spiegel warfen das Photon wie einen Ping-Pong-Ball hin und her, bis es vom Ion absorbiert wurde. „Durch Beschuss mit einem Laserstrahl konnten wir das so angeregte Ion auslesen“, erklärt Köhl. „Wir konnten dabei messen, welche Polarisationsrichtung das zuvor absorbierte Photon hatte.“ Der Zustand des qDots kann also gewissermaßen im Ion konserviert werden – theoretisch gelingt das für viele Minuten. Der Erfolg ist ein bedeutender Schritt auf dem noch langen und steinigen Weg zum Quantencomputer.
U. Bonn / DE
