Innsbruck/Wien – In der Quantenkommunikation, so die Hoffnung, werden künftig Photonen Information über große Distanzen übertragen. Um diese Information in einem Quantencomputer zu verarbeiten, muss sie vom Photon auf ein stationäres Medium übertragen werden, etwa Atome. Innsbrucker Physiker schlagen nun im Fachblatt "Physical Review X" ein neues Konzept vor, wie der Transfer auf einzelne Atome möglich wäre: mittels Quantenlinsen.
Mit dem Quantencomputer sollen die seltsam anmutenden Eigenschaften der Quantenwelt für besonders schnelle Berechnungen genutzt werden. Im Gegensatz zum Bit, der kleinsten Informationseinheit in der klassischen Informationstechnologie, die zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, dienen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit – genannt Quantenbit (Qubit). Ein solcher Zustand kann verschiedene Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits ließen sich deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als derzeit.
Wie aus Photonen Qubits werden könnten
Als perfekte Kandidaten für "fliegende" Qubits gelten Photonen. Sie können die Quanteninformation schnell und zuverlässig übertragen. Weil aber Licht und Materie nur schwach miteinander wechselwirken, ist die Umwandlung der Photonen in stationäre Qubits schwierig.
Eine Möglichkeit wäre, die Photonen in dichte Atomwolken fliegen zu lassen, wo sie dann mit hoher Wahrscheinlichkeit absorbiert werden. Allerdings wird die Information dabei in sogenannten delokalisierten Zuständen gespeichert, die Information ist sozusagen in die gesamte Atomwolke kollektiv eingeschrieben, was die Weiterverarbeitung in Quantencomputern erschwert.
Die Idee
"Das ultimative Ziel ist es, 'fliegende' Qubits mit hoher Effizienz in einem einzelnen Atom zu speichern", sagt Alexander Glätzle von der Universität Oxford. Der aus Tirol stammende Physiker hat nun gemeinsam mit dem Theoretischen Physiker Peter Zoller vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Uni Innsbruck eine elegante Lösung für das Problem vorgeschlagen. Sie regen an, Quantenlinsen zu erzeugen, die – ähnlich wie optische Linsen – die Information auf einzelne Atome fokussiert.
Sie analysierten dazu Atomwolken, in denen der Spinzustand eines Photons kollektiv in die Atomwolke eingeschrieben wurde. Theoretisch konnten die Physiker zeigen, dass man mit Lasern die Atome so anordnen kann, dass sie wie eine optische Linse fungieren und durch ihr Zusammenspiel die kollektiv gespeicherte Information auf ein Atom übertragen.
"Die Möglichkeit, solche Wechselwirkungen nun künstlich zu erzeugen, hätte tiefgreifende Konsequenzen nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die angewandte Forschung", so Glätzle über seine Arbeit, die von "Nature Physics" als "Research Highlight" ausgewählt wurde. Der Physiker ist mit experimentellen Gruppen in Kontakt, um an der Realisierung des Konzepts zu arbeiten. (APA, red, 6. 11. 2017)