27.05.2011

Verschränkung auf Distanz gehalten

Die quantenmechanische Verschränkung zweier räumlich weit getrennter Quantensysteme legt den Grundbaustein für ein Quantennetzwerk.

Die quantenmechanische Verschränkung zweier räumlich weit getrennter Quantensysteme legt den Grundbaustein für ein Quantennetzwerk.

Seit einigen Jahren gibt es konkrete Ansätze, wie das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung für praktische Anwendungen wie etwa die abhörsichere Datenübertragung genutzt werden kann. Dazu ist es notwendig, die aussschließlich lokal entstehende Verschränkung auf weit voneinander entfernte Systeme zu verteilen. Ein Team von Wissenschaftlern um Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, hat jetzt demonstriert, dass sich zwei räumlich weit getrennte, atomare Quantensysteme in einen gemeinsamen verschränkten Zustand bringen lassen.

Abb.: Ein einzelnes Atom und ein BEC in getrennten Laboren dienen als Knoten in einem einfachen Quantennetzwerk. (Bild: Rempe)

Auf der einen Seite verwendeten die Garchinger Physiker ein einzelnes Rubidiumatom, das in einem aus zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildeten Resonator gefangen war, auf der anderen Seite ein Ensemble aus Millionen extrem kalten Rubidiumatomen, die ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bildeten. Zunächst wurde das einzelne Atom im optischen Resonator mit einem Laserpuls zum Aussenden eines Photons angeregt. Dabei werden innere Freiheitsgrade des Atoms so mit der Polarisation des Photons verknüpft, dass beide Teilchen miteinander verschränkt sind. Über ein 30 Meter langes Glasfaserkabel wurde das Photon dann in ein benachbartes Labor überführt und dort auf das BEC gelenkt. Hier wurde es absorbiert und in Form einer kollektiven Anregung aller Atome des BECs gespeichert.

Dass Einzelatom und BEC durch die Übertragung des Photons wirklich miteinander verschränkt sind, wiesen die Physiker in einem weiteren Schritt nach. Dazu wurde mithilfe eines Laserpulses das im BEC absorbierte Photon wieder freigesetzt und der Zustand des Einzelatoms durch die Erzeugung eines zweiten Photons ausgelesen. Aus der Verschränkung der beiden Photonen mit 95% des maximal möglichen Wertes ließ sich schließen, dass die Verschränkung der beiden atomaren Quantensysteme mindestens ebenso gut ist. Des Weiteren bestand die Verschränkung rund 100 Mikrosekunden lang - also hundert Mal länger als der Übertragungsprozess dauerte.

Das Team von Rempe hat in diesem Experiment den Grundbaustein eines Quantennetzwerks aus zwei weit entfernten, miteinander verschränkten Knoten realisiert. Dies ist ein Meilenstein auf dem Weg zu ausgedehnten Quantennetzwerken, in denen z.B. Information absolut abhörsicher übertragen werden kann.

Max-Planck-Institut für Quantenoptik / AL


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