Superradianz beschleunigt Informationstransfer
Grundbaustein für eine Schnittstelle zwischen Quantenprozessoren und Lichtleitern.
Seit einigen Jahren sind Quantencomputer keine reine Theorie mehr. Im Labor haben Forscher die ersten Bausteine eines zukünftigen Quantenrechners bereits realisiert und erfolgreich getestet. Über ein Dutzend unterschiedliche Technologien kommen dabei zum Einsatz. Die am weitesten fortgeschrittene Methode nutzt Ionenfallen, in denen sich einzelne geladene Atome mit Hilfe von Lasern sehr gut kontrollieren lassen. Ein Forscherteam um Rainer Blatt von der Uni Innsbruck hat 2013 erstmals die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon übertragen und damit den Grundbaustein für eine Schnittstelle zwischen Quantenprozessoren und Lichtleitern geschaffen. Nun haben Blatt und seine Kollegen dieses Interface durch die Nutzung superradianter Zustände noch einmal verbessert.
Abb.: Zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln werden zwei Teilchen positioniert und mit einem Laser verschränkt. Mit einem weiteren Laser wird die Quanteninformation in die Ionen eingeschrieben und auf das Photon übertragen. (Bild: U Innsbruck)
„Will man ein Quanten-Netzwerk mit gefangenen Ionen realisieren, benötigt man ein effizientes Interface, über das die Quanteninformation von Teilchen auf Photonen übertragen werden kann“, erklärt Projektleiterin Tracy Northup. „In unserer Schnittstelle positionieren wir zwei Ionen zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln. Dann verschränken wir die Teilchen und koppeln sie beide an den optischen Resonator.“ Die kollektive Wechselwirkung zwischen den Teilchen und dem Resonator kann nun so eingestellt werden, dass die Erzeugung von Photonen verstärkt wird. Diesen Zustand nennt man superradiant. Um die Eignung für die Quanteninformationsverarbeitung zu demonstrieren, schreiben die Forscher einen Quantenzustand in die verschränkten Teilchen ein und übertragen diesen auf das Photon. Aufgrund der superradianten Wechselwirkung wird das Photon fast doppelt so rasch erzeugt wie im früheren Experiment. Durch die Ausnutzung der Superradianz wird der Informationstransfer von den Teilchen auf das Photon wesentlich zuverlässiger. Damit verringern sich auch die technischen Voraussetzungen für den Bau solcher Schnittstellen.
In ihrem Experiment konnten die Forscher über die Wechselwirkung zwischen den Teilchen und dem optischen Resonator auch subradiante Zustände erzeugen. Dabei wird die Emission von Photonen unterdrückt statt verstärkt. „Auch diese Zustände sind interessant, weil die Quanteninformation dadurch für den Resonator unsichtbar wird und so geschützt werden kann“, sagt Northup. Damit ist es sogar denkbar, durch ein Hin- und Herschalten zwischen sub- und superradianten Zuständen die Quanteninformation in den Teilchen gezielt abzufragen. In einem zukünftigen Quantencomputer könnten so adressierbare Lese- und Schreib-Operationen an einem Quantenregister realisiert werden.
LPU / RK
