Präzise Quanten-Schnittstelle gebaut

Quantentechnologien werden die Zukunft der Informationsverarbeitung und Kommunikation neu prägen. Schon heute werden unvorstellbare Datenmengen über Lichtleiter rund um die Erde geschickt. Zukünftige Quantennetzwerke könnten noch um ein Vielfaches leistungsfähiger sein. Dafür notwendig sind allerdings Schnittstellen, mit denen die Information von Quantenprozessoren auf Lichtteilchen (Photonen) übermittelt werden kann.  Denn während Quantenpunkte und Ionen als vielversprechendste Kandidaten für die Realisierung von Quantenregistern gelten, werden für die Informationsübertragung auch in Zukunft Photonen zum Einsatz kommen. Daher suchen Physikerinnen und Physiker in aller Welt Möglichkeiten, mittels Verschränkung zwischen Materie und Licht Quanteninformation zwischen entfernten Quantenprozessoren zu übermitteln. Eine Forschungsgruppe um Rainer Blatt, Tracy Northup und Andreas Stute vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat im Labor nun erstmals eine effiziente und darüber hinaus frei einstellbare Schnittstelle zwischen einem einzelnen Ion und einem einzelnen Photon realisiert.

Hohe Effizienz und Präzision

Dazu fangen die Innsbrucker Experimentalphysiker ein Kalzium-Ion in einer Paul-Falle und platzieren es zwischen zwei sehr stark reflektierenden Spiegeln. Mit einem Laser regen sie das Ion an und produzieren dabei ein mit dem Ion verschränktes Photon, das zwischen den Spiegeln reflektiert wird. Über die Frequenz und Amplitude des Lasers lässt sich die Verschränkung zwischen Kalzium-Ion und Photon gezielt einstellen. Diese Methode hat zwei große Vorteile gegenüber allen bisherigen Ansätzen, Atome mit Lichtteilchen zu verschränken: „Die Ausbeute an verschränkten Photonen ist hier um ein Vielfaches höher und kann im Prinzip auf über 99 Prozent gesteigert werden“, erklärt die gebürtige US-Amerikanerin Tracy Northup. „Aber vor allem erlaubt uns dieser Aufbau, die Verschränkung zwischen dem Ion und dem Photon nach Belieben einzustellen.“ Dazu werden Frequenz und Amplitude des Laserlichts so verändert, dass Teilchen und Photon den gewünschten gemeinsamen Quantenzustand einnehmen. Herzstück des Experiments ist ein sogenannter optischer Resonator, der aus zwei sehr stark reflektierenden Spiegeln besteht. Zwischen diesen Spiegeln werden die Lichtteilchen bis zu 25.000 mal hin- und reflektiert, bevor sie in einen Lichtleiter gekoppelt werden. „Neben der hohen Effizienz zeichnet sich die Verschränkung in unserem System durch die höchste bisher gemessene Präzision des verschränkten Quantenzustandes von Atom und Photon aus“, freut sich Andreas Stute.

Zukunftstechnologie

Das Experiment liefert wichtige Einsichten in die Interaktion von Licht und Materie und könnte beim Bau von Quantencomputern und in einem zukünftigen Quanteninternet Anwendung finden. „Überall dort, wo wir Quanteninformation von Recheneinheiten in Kommunikationskanäle übermitteln müssen, benötigen wir eine Übertragung von Teilchen auf Licht und umgekehrt“, erklärt Tracy Northup. Unterstützt werden die Forscherinnen und Forscher vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der EU. Ihre Daten haben sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature veröffentlicht.