Vierfach verschränktes Quantennetzwerk

Forscher am Caltech haben vier atomare Quantenspeicher in einen verschränkten Zustand gebracht und diesen auf ein Photon übertragen.

Verschränkte Quantenzustände spielen bei der Quanteninformationsverarbeitung eine entscheidende Rolle. Sie liegen der Quantenverschlüsselung ebenso zugrunde wie der Quantenteleportation, und sie eröffnen Quantencomputern Möglichkeiten, die herkömmlichen Computern verschlossen sind. Um verschränkte Zustände speichern und übertragen zu können, benötigt man Quantennetzwerke. In ihnen spielen Atome die Rolle von quantenmechanischen Datenspeichern, während Photonen die Datenleitungen sind. Jetzt ist es Forschern am Caltech erstmals gelungen, einen vierfach verschränkten Zustand für kurze Zeit in Atomen zu speichern und dann auf einen Ein-Photon-Zustand zu übertragen.

Als Ausgangsmaterial für ihre Quantenspeicher nahmen Jeff Kimble und seine Kollegen eine kalte Wolke aus einer Million Cäsiumatomen, die sich zunächst alle im selben Zustand |g> befanden. Die Wolke wurde von einem in vier Teilstrahlen aufgespaltenen Laserstrahl an vier Stellen beleuchtet, wobei vier Atomensembles entstanden. Wurde ein Atom vom Laserlicht angeregt, so ging es unter Emission eines Photons in einen Zustand |s> über. Kam es in einem der Ensembles zu solch einer Anregung, so blieb offen, welches Atom des Ensembles tatsächlich angeregt worden war und daraufhin in den Zustand |s> gelangte. Das Ensemble befand sich in diesem Fall in einem neuen, kollektiven Anregungszustand |S>, der sich vom anfangs vorliegenden kollektiven Grundzustand |G> durch genau eine Anregung unterschied.

Um die vier Ensembles miteinander zu verschränken, wurde das von ihren Atomen emittierte Licht zur Interferenz gebracht und dann detektiert. Kam beim Detektor ein Photon an, so konnte es von jedem der vier Ensembles emittiert worden sein. Jedes der vier Ensembles konnte also dasjenige sein, das sich nun im Zustand |S> befand. Nach dieser Detektion hatten die vier Ensembles deshalb den verschränkten Zustand |S,G,G,G> + |G,S,G,G> + |G,G,S,G> + |G,G,G,S>. In diesem Zustand beließen die Forscher die vier Atomensembles für einige Millisekunden. Dann übertrugen sie deren Verschränkung auf Photonen.

Dazu wurden die vier Ensembles mit einem weiteren Laserstrahl beleuchtet. Befand sich ein Atom im Zustand |s>, so konnte es vom Laser angeregt werden und anschließend unter Emission eines Photons in den Grundzustand |g> zurückkehren. Das entsprechende Ensemble ging dabei vom Zustand |S> in den Zustand |G> über und emittierte ein Photon in einer zum Ensemble gehörenden Strahlungsmode. Solange aber offenblieb, von welchem der vier verschränkten Ensembles das Photon ausgestrahlt worden war, ergab sich der verschränkte Photonenzustand |1,0,0,0> + |0,1,0,0> + |0,0,1,0> + |0,0,0,1>, bei dem ein Photon auf die vier Strahlungsmoden verteilt war.

Mit verschiedenen Tests haben Kimble und seine Mitarbeiter die Verschränkung des im Experiment entstandenen Photonenzustands nachgewiesen. Da bei der (lokalen) Übertragung des atomaren auf den photonischen Zustand die (nichtlokale) Verschränkung nicht zugenommen haben konnte, hatten die Atome mindestens den Grad von Verschränkung, der sich im Photonenzustand zeigte. Demnach waren auch die vier Atomensembles miteinander quantenmechanisch verschränkt. Zudem war der Nachweis erbracht, dass die vierfache Verschränkung erfolgreich von den Atomen auf das Licht übertragen worden war.

Um herauszufinden, wie lange die Atomensembles den vierfach verschränkten Zustand speichern konnten, verlängerten die Forscher die Wartezeit, bis sie die Verschränkung auf das Licht übertrugen. Es stellte sich heraus, dass nach 15 µs die Atomensembles nur noch in Tripeln verschränkt waren, nach 21 µs nur noch paarweise und nach 26 µs gar nicht mehr. Die Forscher sind zuversichtlich, schon bald Speicherzeiten von 1 s erreichen zu können. Darüber hinaus wollen sie eine größere Zahl von Atomensembles verschränken. Die dabei entstehenden Quantennetzwerke ließen sich nutzen, um mehrere Quantenprozessoren miteinander zu verbinden und die von ihnen gelieferten Zwischenergebnisse zu speichern und an andere Prozessoren weiterzuleiten.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. S. Choi et al.: Entanglement of spin waves among four quantum memories. Nature 468, 412 (2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09568
  arxiv.org/abs/1007.1664
• Gruppe von Jeff Kimble am California Institute of Technology:
  www.its.caltech.edu/~qoptics/index.html

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