Verschränkte Photonen in Serie

Physikern ist es erstmals gelungen, eine Serie von 14 nacheinander emittierten Photonen auf definierte Weise miteinander zu verschränken – mehr als jemals zuvor. Möglich wurde dies, weil alle Photonen aus demselben angeregten Atom stammten. Dessen Quantenzustände waren kontrolliert einstellbar und damit auch die Merkmale der miteinander verschränkten Photonen, wie das Team in „Nature“ berichtet. Diese kontrollierte Serienproduktion von verschränkten Photonen könnte Quantencomputer und die Quantenkommunikation voranbringen.

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung bildet die Grundlage für Quantencomputer und die Quantenkommunikation. Denn erst diese Kopplung von Zuständen erlaubt es, Informationen quasi instantan zu übertragen oder Rechenoperationen durch Qubits auszuführen. Zwar haben Physiker schon Teilchen über große Entfernungen hinweg und in mehreren Zuständen gleichzeitig verschränkt und übertragen. Bisher ist die kontrollierte Erzeugung von verschränkten Photonen aber nur bedingt skalierbar:

Das gängige Verfahren produziert aus einem Ausgangsphoton höherer Energie ein verschränktes Paar Photonen mit niedrigerer Energie. Größere Mengen von in der gewünschten Weise miteinander verschränkten Photonen sind damit jedoch nur schwer kontrolliert zu erzeugen.

Ein Atom als Emitter…

Doch das hat sich nun geändert: Philip Thomas und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben eine Technik entwickelt, mit der ein Atom ganze Serien von miteinander verschränkten Photonen emittieren kann. Dabei lassen sich die quantenphysikalischen Zustände dieser Photonen gezielt einstellen und kontrollieren. Das Team erzeugte so erstmals auf definierte Weise und mit großer Effizienz bis zu 14 verschränkte Photonen.

„Der Clou bei diesem Experiment war, dass wir ein einzelnes Atom benutzt haben, um die Photonen zu emittieren und gezielt miteinander zu verweben“, erklärt Thomas. Dazu platzierten er und sein Team ein Rubidium-Atom in der Mitte eines optischen Hohlraum-Resonators – einer Art Echokammer für elektromagnetische Wellen. Über Laserstrahlung einer bestimmten Frequenz regten sie das Atom an und brachten es in den gewünschten Quantenzustand.

…produziert eine Kette aus verschränkten Photonen

Dann folgte der entscheidende Schritt: Durch einen zusätzlichen Laserpuls lösten die Forscher gezielt die Emission eines Photons aus, das mit dem jeweiligen Quantenzustand des Atoms verschränkt war. „Diesen Vorgang wiederholten wir mehrmals und auf eine zuvor festgelegte Weise“, berichtet Thomas. Im Prinzip wechselte sich dabei die Manipulation des als Quantenbit dienenden Atoms mit der Erzeugung jeweils eines Photons ab.

So gelang es den Physikern, eine Kette von bis zu 14 Lichtteilchen zu erzeugen, die durch die atomaren Rotationen miteinander verschränkt und in einen gewünschten Zustand gebracht waren. „Die darin miteinander verbundenen 14 Lichtteilchen sind nach unserem Wissen die größte Zahl an verschränkten Photonen, die bislang im Labor erzeugt wurde“, betont Thomas. „Weil die Kette von Photonen aus einem einzelnen Atom hervorging, ließ sie sich auf deterministische Weise produzieren.“

Methode kontrollierbar und effizient

Wie das Team berichtet, ist diese Methode zudem besonders effizient – dies ist für künftige technische Anwendungen ebenfalls wichtig. „Durch Messungen an der produzierten Photonen-Kette konnten wir eine Effizienz von annähernd 50 Prozent belegen“, berichtet Thomas. Fast jeder zweite „Knopfdruck“ an dem Rubidium-Atom lieferte demnach ein nutzbares, verschränktes Photon – weit mehr, als bei früheren Experimenten erreicht wurde.

„Alles in allem beseitigt unsere Arbeit ein seit langem bestehendes Hindernis auf dem Weg zu skalierbarem, messbasiertem Quantencomputing“, fasst Seniorautor Gerhard Rempe die Resultate zusammen. Die neue Methode könnte nicht nur den Bau leistungsfähiger und robuster Quantencomputer erleichtern, sondern auch bei der sicheren Übertragung von Daten helfen. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04987-5)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Nature