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Bessere Schnittstelle für künftiges Quanteninternet

Eines der vielversprechendsten Grundkonzepte für künftige Quantencomputer sind einzelne Atome, die in Ionenfallen gefangen und mit Lasern manipuliert werden. Die Physiker der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) sind bei dieser Technologie international federführend. Sie können damit bereits in kleinem Maßstab Quantenrechnungen durchführen. Künftig sollen Quantencomputer mithilfe der besonderen Gesetze der Quantenphysik bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Rechner.

Durchbruch vor zwei Jahren

Notwendig sind auch funktionstüchtige Schnittstellen, mit denen die Quanteninformation über Lichtleiter von einem Computer zum nächsten übertragen werden kann - also quasi ein Quanteninternet. Vor zwei Jahren ist es den Innsbrucker Forschern um Tracy Northup und Rainer Blatt gelungen, erstmals die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon zu übertragen.

Nun haben sie diesen Grundbaustein einer Schnittstelle zwischen Quantenprozessor und Lichtleiter deutlich verbessert. Statt bisher einem positionierten sie zwei Ionen zwischen zwei stark reflektierende Spiegel und verbanden die Teilchen untereinander sowie mit dem Spiegelsystem in einem speziellen - "superradiant" genannten - Zustand.

Mit einem Laser wird die gewünschte Quanteninformation in die Ionen eingeschrieben und kann auf ein Photon übertragen werden. Dieses informationstragende Lichtteilchen entsteht, wenn man die Ionen mit einem zweiten Laser angeregt.

Informationstransfer wird zuverlässiger

Durch Ausnutzung des superradianten Zustands wird nicht nur der Informationstransfer von den Teilchen auf das Photon wesentlich zuverlässiger als beim bisherigen Verfahren mit nur einem Ion. Auch das Photon wird fast doppelt so rasch erzeugt als bisher. Das Photon kann zwischen den Spiegeln gespeichert und schließlich gezielt in eine Glasfaser geleitet werden.

Den Forschern ist es auch gelungen, über die Wechselwirkung zwischen den Teilchen und den Spiegeln auch sogenannte "subradiante" Zustände zu erzeugen. Dabei wird die Freisetzung von Photonen nicht verstärkt, sondern unterdrückt. Für die Wissenschafter sind auch diese Zustände interessant, weil die Quanteninformation dadurch für das Spiegelsystem unsichtbar wird und so geschützt werden kann. Durch Hin- und Herschalten zwischen sub- und superradianten Zuständen könnten die Quanteninformation in den Teilchen gezielt abgefragt und in einem zukünftigen Quantencomputer so adressierbare Lese- und Schreib-Operationen realisiert werden.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.023602

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