Quanten-Internet in Sicht

Eines der Fernziele der Quantencomputer-Forschung ist die Schaffung eines Quanten-Internets. In diesem könnte Quanteninformation verteilt und effizient verarbeitet werden. Ein vielversprechendes Modell für ein solches Netzwerk besteht aus einzelnen Prozessoren, die mit Glasfaserleitungen über weite Distanzen miteinander verbunden sind. Jeder Prozessor besteht dabei aus mehreren Quantenbits und ist zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln untergebracht. Die Spiegel bilden einen optischen Resonator, der als Schnittstelle zwischen Quantenbits und Licht dient.

In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte bei der Manipulation von einzelnen Atomen in optischen Resonatoren gemacht. Es gelang den Experimentalphysikern jedoch noch nicht, in einem Resonator mehrere Quantenbits gleichzeitig entsprechend zu kontrollieren. Die Forschungsgruppe um Tracy Northup und Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat nun erstmals zwei Kalziumionen in einem optischen Resonator gefangen und miteinander verschränkt. „Durch die genaue Positionierung der geladenen Teilchen im Resonator bestimmen wir, ob ein Ion oder beide Ionen mit den Photonen wechselwirken“, erklärt Tracy Northup. „Wenn beide Ionen mit dem Resonator gekoppelt sind, kann diese Wechselwirkung dazu genutzt werden, die beiden Teilchen quantenmechanisch zu verschränken.“ Die Verschränkung wird dabei über den Messprozess erzeugt: „In dem Moment, im den wir zwei Photonen, eines von jedem Ion, an zwei Detektoren messen, werden die Teilchen verschränkt“, sagt Tracy Northup, Elise-Richter-Stipendiatin des FWF. Die Verschränkung kann dann durch die Analyse von Korrelationen im Fluoreszenzsignal der beiden Ionen nachgewiesen werden.

Wenn die zwei Ionen in räumlich getrennten Ionenfallen untergebracht wären, könnte das gleiche Messprotokoll verwendet werden, um die beiden Teilchen über eine große Distanz effizient miteinander zu verschränken. Die nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters präsentierte Arbeit stellt deshalb einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu funktionsfähigen Schnittstellen für Ionenfallen-Quantencomputer dar. Das gleiche Schema lässt sich aber auch auf andere Plattformen für zukünftige Quantencomputer, wie Quantenpunkte und neutrale Atome, anwenden.

Unterstützt werden die Forscherinnen und Forscher vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Union und der Tiroler Industrie.