Qubit-System aus neutralen Atomen

Weltweit arbeiten Physiker an der Reali­sierung groß­räumiger Quanten­netzwerke, in denen einzelne Licht­quanten geheime Quanten­informationen sicher an weit entfernte Stationen über­mitteln. Funda­mentale Bausteine solcher Netzwerke sind Elemente wie Quanten-Repeater, die dem Verlust der Infor­mation über weite Strecken entgegen wirken, oder Quanten-Logik­gatter, die für die Verar­beitung von Quanten­information unerlässlich sind. Ein neues Konzept für ein Quanten-Gatter hat jetzt ein Team von Wissen­schaftlern um Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quanten­optik in Garching, vorge­stellt.

Dabei entsteht zwischen zwei in einem Reso­nator gefangenen Atomen durch von außen ein­treffende Licht­quanten eine Wechsel­wirkung, die sich für die Umsetzung charak­teristischer Gatter­funktionen wie etwa eines CNOT-Gatters oder der Erzeu­gung von Verschränkung nutzen lässt. Dieses Modell ist aus mehreren Gründen sehr attrak­tiv: die Gatter-Opera­tionen erfolgen innerhalb weniger Mikro­sekunden, was von Vorteil für die Quanten­informations­verarbeitung ist. Das Prinzip funk­tioniert auch auf anderen experimen­tellen Platt­formen. So lässt sich das Gatter als Baustein in einem Quanten-Repeater einsetzen.

Kernstück des Experi­ments ist ein asymme­trischer Hohlraum­resonator, der aus einem hochreflek­tierenden Spiegel und einem Spiegel mit einer gewissen Durch­lässigkeit gebildet wird. In seinem Zentrum befinden sich zwei elektrisch neutrale Rubidium-Atome. Jedes Atom ist Träger eines Qubits, in die eine Über­lagerung zweier stabiler Grund­zustände kodiert ist. „Einer der atomaren Grund­zustände ist in Resonanz mit dem Lichtfeld des Reso­nators. Deshalb bilden Atome und Reso­nator ein stark gekoppeltes System“, betont Stephan Welte, der an dem Experi­ment im Rahmen seiner Doktor­arbeit forscht. „Das ist die Voraus­setzung dafür, dass die Atome mit­einander sprechen können – im freien Raum wäre das nicht möglich.“

Zur Aus­führung der Gatter-Operation lässt man einzelne Photonen auf den teildurch­lässigen Spiegel fallen. Was dann passiert, hängt von den Anfangs­zuständen der Atome ab. „Wenn sich beide Atome in einem nicht-koppelnden Zustand befinden, kann das Photon in den Resonator ein­dringen und eine optische Stehwelle zwischen den Spiegeln aufbauen“, erklärt Bastian Hacker, ebenfalls Doktorand am Experiment. „Über dieses Lichtfeld können die Atome mit­einander kommu­nizieren: ist es vorhanden, dann wird die Phase der gespeicher­ten Qubits um 180 Grad gedreht.“ In allen anderen Fällen, wenn ein oder sogar beide Atome in Resonanz mit den Cavity-Moden sind, wird das Photon abge­wiesen, und der Zustand des Gesamt­systems bleibt unverändert.

Mit Hilfe dieser Effekte lassen sich zwischen den beiden Atomen elemen­tare Rechen­operationen reali­sieren. Dies belegen die Garchinger Physiker anhand von zwei charak­teristischen Gatter­funktionen. Zum einen zeigen sie, dass ihr Aufbau als typisches CNOT-Gatter arbeiten kann: dabei bestimmt der Eingangs­wert des einen Qubits, ob das andere Qubit seinen Zustand ändert oder nicht. Als Basis für ihre Unter­suchungen definieren die Physiker für ihr Zwei-Atom-System vier zueinander ortho­gonale Zustände, die sie jeweils nach der Gatter-Operation einer Messung unter­ziehen. Die aus diesen Messer­gebnissen erstellte Tabelle entspricht der Wahrheits­tabelle eines klas­sischen XOR-Gatters.

In einer weiteren Messreihe zeigen die Wissen­schaftler, dass sie mit ihrem Aufbau aus zwei anfänglich unab­hängigen Atomen einen quanten­mechanisch ver­schränkten Zustand erzeugen können. „Dazu präpa­rieren wir den Anfangs­zustand der Atome so, dass sich jedes in einer kohärenten Über­lagerung aus beiden Grund­zuständen befindet“, führt Stephan Welte aus. „Somit sind auch beide Fälle – dass das Photon in die Cavity gelangt und dass es abge­wiesen wird – quanten­mechanisch über­lagert. Infolge­dessen entsteht durch unser Gatter eine Ver­schränkung zwischen den Atomen.“

„Der Mechanismus, den wir hier verwenden, beinhaltet nur einen physika­lischen Schritt und ist damit besonders einfach und elegant. Im Gegensatz zu anderen Gatter­mechanismen spielt der Abstand der beiden Atome – bei uns zwischen zwei und zwölf Mikrometer – keine Rolle“, betont Hacker. „Das Prinzip lässt sich auch ohne weiteres auf experi­mentelle Platt­formen anwenden, in denen andere Atome, Ionen oder Festkörper-Quanten­punkte Träger der Quanten­information sind.“ Gerhard Rempe hat schon die nächsten Erwei­terungen des Systems im Visier. „Wir können uns vor­stellen, nicht nur zwei, sondern mehrere Atome in den Resonator einzu­bringen. Unser Gatter­mechanismus könnte dann auf vielen Atomen gleich­zeitig ausge­führt werden.“ In einem größeren Quanten­netzwerk könnten Multi­qubit-Knoten als kleine Quanten­computer Rechnungen ausführen, deren Ergeb­nisse auf Photonen über­tragen und an andere Knoten im Netzwerk verschickt werden.

MPQ / JOL