Erste Fernübertragung verschränkter Ionen-Qubits

Qubits werden mobil: In Quantenfallen gefangene Ionen werden in Quantencomputern häufig als Qubits eingesetzt. Doch eine Verschränkung dieser ionischen Quantenbits über größere Entfernung stand bisher noch aus. Jetzt ist dies Physikern in Innsbruck gelungen. Sie haben die Quanteninformation von Ionen-Qubits erstmals über gut 500 Meter hinweg effizient übertragen und so die Qubits miteinander verschränkt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für Quantennetzwerke.

Quanteninformationen lassen sich dank des Phänomens der Verschränkung instantan und „unknackbar“ übertragen. Denn jede Zustandsänderung eines verschränkten Teilchens verändert auch den Partner – sofort und unabhängig von der Entfernung beider. Bisher gelang dies schon mit Quanteninformationen von Photonen und mit einer von Atomen auf Photonen übertragenen Verschränkung – in Glasfaser-Seekabeln, über die Luft und sogar über Satellit.

Wie verschränkt man entfernte Ionen-Qubits?

Doch für eine wichtige Form von Qubits stand eine effiziente Fern-Übertragung noch aus: Qubits aus gefangenen Ionen. Neben supraleitenden Transmon-Qubits sind solche in Fallen aus Laserstrahlen gehaltenen Ionen die zweite gängige Form von Recheneinheiten in Quantencomputern. Doch die Übertragung der Quanteninformation von diesen Ionenfallen auf Transport-Photonen war bisher wenig effizient und hatte daher eine nur geringe Reichweite.

„Bisher wurden gefangene Ionen nur im gleichen Labor über wenige Meter miteinander verschränkt. Dies wurde auch mit gemeinsamen Kontrollsystemen und mit Photonen realisiert, die auf Grund ihrer Wellenlänge nicht dafür geeignet sind, größere Entfernungen zurückzulegen.“, erklärt Koautor Ben Lanyon von der Universität Innsbruck. Jetzt ist es ihm und seinen Kollegen erstmals gelungen, zwei Ionen-Qubits über rund 500 Meter und mehrere Gebäude hinweg miteinander zu verschränken.

Über 500 Meter Glasfaser verbunden

Im Experiment waren die beiden Quantensysteme in zwei mehrere hundert Meter auseinander liegenden Laboren aufgebaut. Jedes ionische Qubit wurde dann mit einem gleichzeitig zwei Wellenlängen emittierenden Laser angeregt. Dadurch gab das Qubit ein Photon ab, dessen Polarisation von der Wellenlänge abhing, die das Ion absorbiert hatte – welches, war zufällig. Das Ionen-Qubit war dadurch über die Polarisation mit dem Photon verschränkt. Dieses konnte nun als „Quantenbote“ und Überträgerteilchen dienen.

Dann schickten die Physiker die verschränkten Photonen über ein Glasfaserkabel von einem Laborgebäude ins andere. „Wir haben dazu die mit den Ionen verschränkten Photonen über einen 500 Meter langen Lichtleiter geschickt und miteinander überlagert“, erklärt Koautorin Tracy Northup von der Universität Innsbruck. Am Ziel wird das Photon auf einen Strahlteiler gelenkt, wo es mit dem Photon des dortigen Ionen-Qubits interagiert. Dies überträgt die Verschränkung des ersten Qubits auf das zweite Qubit.

Neue Möglichkeiten für Quantennetzwerke

Wie die Forschenden berichten, erreichte diese Quantenübertragung eine Effizienz von bis zu 88 Prozent – deutlich mehr als in früheren Versuchen dieser Art. Ihr Experiment belegt zudem erstmals, dass eine solche Quantenübertragung zwischen ionischen Qubits auch dann funktioniert, wenn die Qubits über getrennte Kontrollsysteme manipuliert werden – dies ist wichtig für die praktische Anwendung in Quantennetzwerken.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung zukünftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind“, sagt Northup. (Physical Review Letters, 2023; doi: 10.1103/PhysRevLett.130.050803)

Quelle: Universität Innsbruck