Von Licht auf Materie

Kopenhagen (Dänemark) - Quantenphysiker können Teilchen so miteinander koppeln, dass sie Informationen ohne Zeitverlust und absolut abhörsicher übertragen können. Bisher gelang diese so genannte Teleportation entweder nur für Lichtteilchen oder nur für Atome. Dänische Physiker verknüpften nun erstmals diese beiden Welten. In der Zeitschrift „Nature“ berichten sie über die erfolgreiche Quantenteleportation - oft vereinfacht „Beamen“ genannt - von Quantenzuständen von einem Photon auf ein Ensemble von Caesiumatomen.

„Licht und Materie repräsentieren quasi ‚fliegende' und ‚stationäre' Medien", schreiben Eugene Polzik und seine Kollegen vom Niels Bohr Institut der Universität Kopenhagen. Damit zeichnen sich die Atome als feste Bestandteile eines solchen Quanteninformationsnetzes für die Datenspeicherung aus, Masselose Photonen dagegen sind für die rasche Übertragung der Information prädestiniert. Für ihr Experiment prägten sie auf das kohärente Licht eines Lasers eine Information in Form eines Quantenzustandes auf. Diesen Zustand konnten sie nun elegant auf ein makroskopisches Objekt, eine Wolke aus Tausend Milliarden Caesiumatomen, übertragen. Das Ergebnis dieser Kopplung: Beide Teilchenarten - Photonen und Materie - sind miteinander verschränkt.

Konkret schickten die Physiker einen starken polarisierten Lichtpuls auf ein mit Caesiumgas gefülltes Glasröhrchen. Mit einem homogenen Magnetfeld werden die magnetischen Momente der Gasatome ausgerichtet. Nachdem der Lichtstrahl die Caesiumwolke durchleuchtete, konnte das elektrische Feld der Lichtwelle mit dem Ensemble der Caesiumatome verschränkt werden.

Für den Nachweis der Teleportation wird nach einer Zehntel Millisekunde ein zweiter starker Puls polarisiertes Licht auf das atomare Ensemble geschickt, um dessen Zustand zu bestimmen und die Übertragung der Quanteninformation zu belegen. Aus diesen Messwerten bestimmen die Forscher die so genannte „Fidelity“, die zeigt, wie gut der Zustand des teleportierten Objektes mit dem Original übereinstimmt. Werte von 0,6 konnten erreicht werden. Ohne Verschränkung wären maximal Werte von 0,5 möglich.

„Die Bedeutung des Experimentes liegt darin, dass erstmals eine Teleportation zwischen Atomen, die stationäre Quantenspeicher darstellen, und Licht, das man für die Übertragung von Informationen über weite Strecken braucht, gelungen ist“, sagt Klemens Hammerer von der Universität Innsbruck. Wird nun der Zustand des Lichtteilchens bestimmt, liegt ohne Zeitverlust auch die Information über den Atomzustand vor. In dem dänischen Experiment betrug der Abstand der beiden Teilchen zwar nur einen halben Meter, doch schon früher wurde eine solche Teleportation zwischen Lichtteilchen, die mehrere hundert Kilometer voneinander getrennt sind, verwirklicht.

Die Verschränkung, also die quantenphysikalische Kopplung von Licht und Materie kann als wichtiger Schritt hin zur Verwirklichung von Quantencomputern und Quantennetzwerken angesehen werden. Auf dieser Basis könnte die technische Umsetzung eines extrem leistungsfähigen Rechners erfolgen. Denn nur wenige zehn so genannte Quantenbits reichen aus, um in Sekundenschnelle Probleme zu lösen, an denen heute selbst die größten Supercomputer wochenlang knobeln müssten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jacob F. Sherson et al., Quantum teleportation between light and matter, Nature 443, 557 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05136
• Kommentar:
  Mikhail Lukin und Matthew Eisaman, Quantum leap from light to atoms, Nature 443, 512 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/443512a
• Universität Kopenhagen:
  http://www.ku.dk/
• Niels Bohr Institut:
  http://www.nbi.dk/
• Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI):
  http://www.iqoqi.at

• Bennett, C. H. et al. Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993).
• Bouwmeester, D. et al. Nature 390, 575–579 (1997).
• Barrett, M. D. et al. Nature 429, 737–739 (2004).
• Riebe, M. et al. Nature 429, 734–737 (2004).
• Sherson, J. F. et al. Nature 443, 557–560 (2006).