Ein Photon mit einer Billionen Atome verschränkt

Atomklumpen im Quantenzustand: Forscher haben erstmals ein Photon mit einem makroskopischen Objekt verschränkt – einem Klumpen aus einer Billion Atome. Sie konnten dadurch Informationen eines Photons auf die gesamte Gruppe von Rubidium-Atomen übertragen und wieder abrufen. Zudem blieb die Verschränkung mehrere Mikrosekunden stabil – ebenfalls ein wichtiger Fortschritt.

Die Zukunft der Informationstechnologie liegt in Quantencomputern. Diese sollen große Datenmengen innerhalb kürzester Zeit verarbeiten. Möglich wird das dank simultan ablaufender Rechenoperationen, welche auf der Überlagerung von Zuständen basieren – auch als Quantenverschränkung bekannt. Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, können Informationen über ihren Zustand sowohl an dem einen, als auch an dem anderen Teilchen ausgelesen werden.

Während oft die kurze Lebensdauer solcher quantenverschränkter Zustände eine Hürde darstellt, haben Physiker nun vor allem bei der Größe des verschränkten Systems einen sprichwörtlichen Quantensprung erzielt.

Verschränkung im großen Stil

Dem Team um Wojciech Wasilewski am Quantum Memories Laboratory in Warschau ist es gelungen, ein einzelnes Photon mit einer Billionen heißer Rubidium Atome zu verschränken. Sie bestrahlten die Atome mit einem Laser und zeichneten einzelne Photonen des Streulichts mit Spezialkameras auf.

Analysen ergaben, dass dabei das Photon in Bezug auf seinen Impuls mit der ganzen Atomgruppe verschränkt war. „Ein einzelnes detektiertes Photon trägt die Information über den Quantenzustand der gesamten Atomgruppe mit sich,“ erklärt Michal Dabrowski von der Universität Warschau. Dies sei das erste Mal, dass die Verschränkung eines Photons mit einem so großen Objekt gelungen sei.

Gut geeignet als Quantenspeicher

Michal Dabrowski hebt den großen Vorteil daran hervor: „Diese Atome können gespeichert und ihr Quantenzustand jederzeit abgelesen werden.“ „Die Atome speichern das Photon in Form einer Welle aus atomaren Spins, die sich bei unserem Aufbau über eine Trillionen Atome erstreckt,“ führt Michal Parniak fort. „So ein Zustand verkraftet auch den Verlust einzelner Atome, da die Information über eine große Anzahl an Teilchen verteilt ist.“

Den Forschern gelang es zudem, den verschränkten Zustand relativ lange zu stabilisieren: „Wir konnten die multidimensionale Verschränkung für einige Mikrosekunden aufrechterhalten, was etwa eintausend Mal länger ist als in früheren Versuchen, und gleichzeitig lange genug, um währenddessen Quantenberechnungen zu dem atomaren Zustand durchzuführen“, berichtet Wojciech Wasilewski.

Solche Photon-Atom-Verschränkungen könnten sich daher als Bausteine für künftige Quantencomputer eignen. Den Warschauer Physikern gelang es in ihrem Experiment bereits, die Quanteninformationen von zwölf Photonen gleichzeitig in solchen atomaren Quantenspeichern zu speichern. Diese Kapazität ist vielversprechend in Hinblick auf die Entwicklung von leistungsstarken Quantencomputern. (Optica, 2017; doi: 10.1364/OPTICA.4.000272)

(Universität Warschau, 03.03.2017 – CLU)