Licht und Atome als Datenträger: In einem einzelnen Photon enthaltene Informationen lassen sich auf quantenmechanischem Weg in einzelnen Atomen speichern. Deutsche Physiker haben eine Methode demonstriert, mit der sich diese Datenübertragung zuverlässig nutzbar machen ließe: Das Atom bestätigt, dass es die Information erhalten hat. Zukünftige Computer könnten damit viel schneller und sicherer werden, schreiben die Wissenschaftler im Magazin „Nature Communications“.
In der Quantenwelt besteht Licht aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Einheiten, den Lichtquanten oder Photonen. Jedes einzelne Photon kann Information beispielsweise in Form seiner Polarisation, also seiner Schwingungsrichtung, tragen. Grundsätzlich gibt es zwei entgegengesetzte Polarisationszustände, horizontal und vertikal. Darüber hinaus sind aber auch alle Überlagerungen dieser Zustände erlaubt, insgesamt sind also unendlich viele Polarisationen möglich. Einzelne Photonen sind daher sehr geeignete Träger zur Übermittlung von Quanteninformation.
Der Nachteil dabei: Die Lichtteilchen sind recht flüchtig. Um die enthaltene Information zu speichern, muss man sie an ein anderes quantenmechanisches System übertragen, zum Beispiel an ein einzelnes Atom. Es reicht jedoch nicht, Atome und Photonen einfach nur zusammen zu bringen, denn dabei ist eine solche Übertragung der Information sehr unwahrscheinlich. Forscher um Jürgen Eschner von der Universität Saarbrücken haben jetzt eine Prozedur vorgestellt, die diese Speicherung dennoch mit großer Zuverlässigkeit erlaubt.
Photon sendet an gefangenes Atom
Die Physiker halten dabei ein einzelnes Atom in einer sogenannten „Paul-Falle“ mit elektrischen Feldern freischwebend im Raum fest. Das gefangene Atom absorbiert aus einem Laserstrahl ein einzelnes Photon, welches in seiner Polarisation codierte Information trägt. Dabei überträgt sich der Polarisationsstatus des Photons auf den Spinzustand des Atoms, wie die Forscher berichten. Diesen können die Forscher vorher und hinterher messen – und dadurch lässt sich schließen, welche Polarisation das absorbierte Photon hatte.
Wie sich zeigte, überträgt das Photon seine Information mit sehr geringer Fehlerquote auf das Atom: in 95 Prozent der Fälle wurde die Photonen- Polarisation in einen entsprechenden Zustand des Atoms umgewandelt.
Dabei meldet das Atom eine erfolgte Datenübertragung gewissermaßen selbst: „Die Besonderheit am Experiment ist, dass uns das Atom die erfolgreiche Speicherung durch ein ausgesendetes Photon signalisiert und wir somit erfolgreiche von erfolglosen Versuchen unterscheiden können“, erklärt Erstautor Christoph Kurz. Damit steht die gespeicherte Information zuverlässig im Atom zur Verfügung, um zum Beispiel mit Laserpulsen weiterverarbeitet und später wieder ausgelesen werden zu können.
Zuverlässige Schnittstelle zwischen einzelnen Teilchen
Das ausgesendete Photon darf jedoch nur verraten, dass die Speicherung erfolgt ist – nicht aber den Wert der gespeicherten Polarisation. Dies nämlich käme einer Messung des Zustandes gleich, und dabei brechen die überlagerten Quantenzustände zusammen. Die darin gespeicherte Information ginge verloren. „Unser Trick ist deshalb sicherzustellen, dass für alle unterschiedlichen Polarisationen des Photons das Atom immer dasselbe Signal aussendet“, erklärt Eschner. „So werden auch alle Überlagerungen zuverlässig gespeichert.“
Eine solche Schnittstelle zwischen Atomen und Photonen wird nach Einschätzung der Wissenschaftler in Zukunft sehr bedeutend sein. Bausteine dieser Art ermöglichen es, Informationstechnologie bis auf die Größenordnung einzelner Teilchen zu miniaturisieren: Atome dienen als Speicher, Photonen zum Senden von Informationen. Sowohl die Rechenleistung als auch die Sicherheit zukünftiger Computer ließe sich damit erhöhen.(Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms6527)
(Universität des Saarlandes, Saarbrücken, 24.11.2014 – AKR)
