Rydberg-Atome für Quantennetzwerke

Mit elektro­magnetisch induzierter Transparenz lassen sich starke Wechsel­wirkungen von Rydberg-Atomen auf Licht übertragen. Forschern am Max-Planck-Institut für Quanten­optik ist es nun erstmals gelungen, mithilfe dieses Mechanismus ein Photon-Photon-Quanten­gatter zu realisieren. Sie erhalten damit eine sehr hohe Kontrolle über einzelne Photonen und machen einen wichtigen Schritt hin zu Anwendungen in Quanten­kommunikation und -netzwerken. „Seit den 2000er Jahren versuchen Wissen­schaftler, Rydberg-Atome für die Verarbeitung von Quante­ninformationen mit Photonen einzusetzen. Jetzt ist uns ein entschei­dender Schritt in diese Richtung gelungen“, so MPQ-Doktorand Steffen Schmidt-Eberle. Unter Leitung von Stephan Dürr und Gerhard Rempe arbeitet er seit 2014 zusammen mit einem Team aus Wissen­schaftlern auf das Ziel hin, ein Photon-Photon-Quanten­gatter zu entwickeln.

Da Rydberg-Atome stark miteinander wechsel­wirken, sind diese hervorragend geeignet, um Quanten­informationen zu verarbeiten. Die Forscher versuchen diese bekannte starke Wechsel­wirkung zwischen Rydberg-Atomen auf Licht zu übertragen und auf diesem Weg eine logische Operation zwischen zwei Photonen zu imple­mentieren. Dieses kontrollierte Verfahren ist notwendig, um Quanten­informationen innerhalb eines Quanten­netzwerks korrekt verarbeiten zu können. „Die Kontrolle über Licht und dessen Eigen­schaften spielt in der modernen Welt eine immer bedeutendere Rolle. Heutige Alltags­anwendungen reichen von der Medizin über die Material­bearbeitung bis hin zur schnellen Datenüber­tragung. Ein aktuelles Forschungs­ziel ist es daher, Licht auf dem Niveau einzelner Photonen ähnlich umfassend kontro­llieren zu können“, führt Schmidt-Eberle aus.

Mit Photonen können Informa­tionen besonders schnell ausge­tauscht werden und sie erreichen hohe Bandbreiten. Das ist der Grund, warum optische Techno­logien heutzutage bereits standard­mäßig für den Austausch von Daten im Internet eingesetzt werden. Auch zukünftige Quanten­technologien werden voraus­sichtlich auf diese besonderen Eigen­schaften von Photonen setzen, um Quanten­zustände und damit Quanten­informationen zwischen verschiedenen Knoten zu übertragen. Erste Versuche, Photonen nicht nur für die Übertragung, sondern auch für die Verarbeitung von Infor­mation zu nutzen, scheiterten aller­dings daran, dass Lichtpulse von selbst nicht miteinander inter­agieren. Die Forscher haben dieses Problem nun gelöst, indem sie die Photonen an Rydberg-Atome koppeln. Mithilfe der starken Wechsel­wirkung zwischen den Rydberg-Atomen ist es ihnen erstmals gelungen, eine effektive Wechsel­wirkung für Photonen herzu­stellen und schließlich ein Quanten­gatter zwischen zwei Photonen zu realisieren. Ein solches Quanten­gatter kann in einem zukünf­tigen Quanten­computer oder -netzwerk eine ähnliche Rolle wie die CPU in einem klassischen Computer spielen.

Die Forscher gehen im Photon-Photon-Quanten­gatter-Experiment wie folgt vor: Zunächst erzeugen sie eine ein Mikro­kelvin kalte Atomwolke und speichern darin ein erstes Photon. Durch diese Atomwolke senden sie nun ein zweites Photon. Im Anschluss lesen sie das erste Photon aus und messen die Pola­risation beider Photonen. Dabei ist der Einfluss des ersten Photons auf das zweite so stark, dass die Polari­sation des zweiten Photons abhängig von der Polari­sation des ersten Photons um neunzig Grad gedreht wird. „Es ist schon faszi­nierend, dass es gelingt, mit einem einzelnen Photon einen so großen Effekt zu erzeugen“, sagt Schmidt-Eberle.

„Eine der zentralen Heraus­forderungen, nämlich die Wechsel­wirkung so stark zu machen, dass der Drehwinkel nicht zu klein ausfällt, konnten wir schon vor zwei Jahren lösen. Die aktuelle Heraus­forderung bestand für uns darin, die Drehung nicht davon abhängig zu machen, ob das erste Photon einge­strahlt wird oder nicht, sondern davon, welche Polari­sation es hat“, konkretisiert Stephan Dürr, Leiter des Projekts. Um dies zu erreichen, war es für die Forscher entscheidend, geeignete atomare Zustände zu identi­fizieren, an welche die Photonen gekoppelt werden können, und diese Kopplung dann technisch zu imple­mentieren.

„Die Erzeugung der effek­tiven Wechsel­wirkung zwischen Photonen mittels Rydberg-Atomen ist ein junges, dynamisches Gebiet, das es ermöglicht, optische Nicht­linearität auf dem Niveau einzelner Photonen zu demons­trieren. Die Reali­sierung eines Quanten­gatters ist ein entscheidender Meilen­stein in der Entwicklung dieses Gebietes, der zeigt, dass die Eigen­schaften eines Photons durch den Einfluss nur eines anderen Photons maximal verändert werden“, ergänzt Dürr. „Wir konnten in unseren Versuchen erstmals den Beweis erbringen, dass die Verarbeitung von Quanten­informationen zwischen Photonen mit Rydberg-Systemen überhaupt möglich ist. Das ist ein entschei­dender Schritt, um in der Folge ein hoch­effizientes Photon-Photon-Quanten­gatter entwickeln zu können“, sagt Gerhard Rempe.

MPQ / JOL