Erster Schritt zum Quanten-Internet

Zum ersten Mal haben Physiker die Quanteninformation eines Atoms auf ein Lichtteilchen übertragen und über eine Glasfaser zu einem anderen Atom geschickt. Dies eröffnet die Möglichkeit, Daten von einem Quantencomputer zu einem anderen zu verschicken. In der Welt der normalen binären Information wäre das trivial, im Reich der Quanten erforderte dies jedoch einige Tricks. Wie ihnen dies gelang, berichten die Forscher nun im Fachmagazin „Nature Photonics“.

Dank der besonderen Gesetze der Quantenmechanik können Quantencomputer bestimmte Aufgaben theoretisch sehr viel schneller lösen als herkömmliche Computer. Ihr großer Vorteil: Im Reich der kleinsten Teilchen können diese nicht nur klar definierte Zustände annehmen – vergleichbar dem 0 oder 1 der binären Information, sondern auch einen speziellen Überlagerungszustand, die sogenannte Verschränkung. Durch diese Besonderheit können Quantencomputer zahlreiche Rechenoperationen gleichzeitig bearbeiten. Zwei miteinander verschränkte Teilchen bleiben dabei nur solange in diesen Überlagerungszustand, bis ihr Zustand von außen gemessen wird.

Einfach kopieren geht nicht

Eine der vielversprechendsten Technologien zum Bau eines Quantencomputers sind Systeme mit einzelnen Atomen, die in sogenannten Ionenfallen gefangen und mit Lasern manipuliert werden. Im Labor wurden auf diese Weise schon wesentliche Bausteine eines zukünftigen Quantencomputers experimentell getestet. Doch es gibt dabei noch ein Problem: Weil die Verschränkung gegenüber Störungen so sensibel reagiert, lässt sich Quanteninformation nicht einfach von einem Rechner auf einen anderen kopieren oder von einem Atom auf ein Lichtteilchen übertragen.

„Wir können heute mit Atomen bereits erfolgreich Quantenrechnungen durchführen“, erklären Andreas Stute und Bernardo Casabone von der Universität Innsbruck. „Was aber noch fehlt, sind funktionstüchtige Schnittstellen mit denen die Quanteninformation über Lichtleiter von einem Computer zum nächsten übertragen werden kann.“ Eine mögliche Lösung dieses Problems haben die Innsbrucker Forscher im Labor nun gefunden: Es gelang ihnen erstmals, die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon zu übertragen.

Ion überträgt Information auf Photon

Die Physiker fingen dazu ein einzelnes Kalziumatom in einer Ionenfalle und positionieren es zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln. „Mit einem Laser schreiben wir die gewünschte Quanteninformation in den elektrischen Zustand des Atoms ein“, erklärt Stute. „Das Atom wird dann mit einem zweiten Laser angeregt und sendet dabei 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.“ Das Photon wird zwischen den Spiegeln gespeichert, bis es schließlich durch den weniger stark reflektierenden Spiegel davon fliegt. „Die beiden Spiegel lenken das Photon in eine ganz bestimmte Richtung. So kann es gezielt in die Glasfaser geleitet werden“, sagt Bernardo Casabone. Die im Photon eingeschriebene Quanteninformation kann so über die Glasfaser an einen entfernten Quantencomputer geleitet und dort mit dem gleichen Verfahren wieder in ein Atom eingeschrieben werden.

Noch ist diese Übertragung nicht sonderlich effektiv: Bisher werden durch diese spezielle Ionenfalle nur 16 Prozent der Information übertragen. In Simulationen haben die Forscher aber bereits ausgerechnet, dass bei entsprechenden Verbesserungen der Technologie eine Genauigkeit von 87 Prozent und eine Effektivität von 97 Prozent erreicht werden könnten.(Nature Photonics , 2013; doi: 10.1038/NPHOTON.2012.358)

(Nature Photonics, 05.02.2013 – NPO)