Großer Fortschritt bei Quantencomputern

Um künftige Quantencomputer in einem Netzwerk zu verbinden, könnten die Quanteninformationen mit Hilfe von Lichtteilchen (Photonen) über Lichtleiter übertragen werden. Dafür wäre es notwendig, die Quanteninformationen von einem Atom auf ein Photon zu übertragen. Genau dies ist Innsbrucker Physikern nun erstmals mit einem ionisierten Atom gelungen, berichten sie in der Fachzeitschrift "Nature Photonics". Sie haben damit die Grundlage für eine Schnittstelle zwischen Quantencomputer und Quanteninternet geschaffen.

Grundkonzept steht noch nicht fest
Noch ist nicht klar, welches der verschiedenen Grundkonzepte die Basis für künftige Quantencomputer sein wird. Eine der viel versprechendsten Technologien sind einzelne Atome, die in Ionenfallen gefangen und mit Lasern manipuliert werden. Die Innsbrucker Physiker halten mit einem Quantencomputer mit 14 verschränkten Ionen den Weltrekord. Sie können damit bereits erfolgreich Quantenrechnungen durchführen, wenn auch noch in kleinem Maßstab. Künftig sollen Quantencomputer mit Hilfe der besonderen Gesetze der Quantenphysik bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Rechner.

Schnittstelle
Was aber noch fehlt, sind funktionstüchtige Schnittstellen, mit denen die Quanteninformation über Lichtleiter von einem Computer zum nächsten übertragen werden kann. Doch das ist nicht so simpel, denn Quanteninformation kann aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik nicht einfach kopiert werden. Die Forscher um Tracy Northup und Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben es nun geschafft, erstmals die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon zu übertragen.

Sie haben dazu ein einzelnes Kalziumatom in einer Ionenfalle gefangen und es zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln positioniert. Mit einem Laser wird die gewünschte Quanteninformation in den elektrischen Zustand des Atoms eingeschrieben. Wird das Atom dann mit einem zweiten Laser angeregt, sendet es ein Photon aus. "In diesem Moment schreiben wir die Quanteninformation des Atoms in den Polarisationszustand des Photons ein und übertragen sie so auf das Lichtteilchen“, erklären die Doktoranden Andreas Stute und Bernardo Casabone in einer Aussendung der Uni. Im Atom ist die Information dann nicht mehr vorhanden.

Das Photon wird zwischen den Spiegeln gespeichert, bis es schließlich durch den weniger stark reflektierenden Spiegel davon fliegt und gezielt in eine Glasfaser geleitet wird. Die im Photon eingeschriebene Quanteninformation kann an einen entfernten Quantencomputer geleitet und dort mit dem gleichen Verfahren wieder in ein Atom eingeschrieben werden.

Die Innsbrucker Physiker haben im Vorjahr ein ähnliches Experiment in der Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht. Damals wurde allerdings der Zustand von einem Atom mit dem eines Photons verschränkt. Eine solche Verschränkung kann für ein anderes Kommunikationsprotokoll verwendet werden.

Charakteristisches Phänomen
Verschränkung ist ein charakteristisches Phänomen der Quantenmechanik. Zwei verschränkte Teilchen bleiben über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Was immer man mit einem Teilchen tut, beeinflusst sofort auch den Zustand des anderen Teilchens.

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