|
Innsbruck (universität) - Mit Hilfe eines einzelnen Lichtteilchens haben Physiker um Lukas Slodicka und
Markus Hennrich erstmals zwei räumlich von einander getrennte Atome verschränkt. Diese Art der Verschränkung
von Quantenobjekten ist wesentlich effizienter als bisherige Verfahren und könnte in Zukunft in großen
Quantennetzwerken eingesetzt werden.
Das Team vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck setzt erstmals einen Vorschlag
von Theoretikern um Carlos Cabrillo und Peter Zoller aus dem Jahr 1999 um. Dabei werden zwei räumlich von
einander getrennte Atome durch die Emission und Messung eines einzelnen Photons (Lichtteilchens) miteinander verschränkt.
Die zwei Barium-Atome werden in einer Ionenfalle gefangen, mit Hilfe von Lasern stark abgekühlt und angeregt.
Wie die Physiker die räumliche Distanz zwischen den beiden in der Ionenfalle direkt nebeneinander liegenden
Atomen simulieren, erklärt Doktorand Lukas Slodicka: „Vom ersten Atom emittierte Photonen werden direkt in
einen Lichtwellenleiter geleitet. Photonen des zweiten Atoms leiten wir über einen entfernt liegenden Spiegel
in den gleichen Lichtwellenleiter und stellen so virtuell eine Distanz von einem Meter zwischen den Quantenteilchen
her.“ Gleichzeitig garantiert dieser Ansatz ein wesentliches Merkmal dieses neuen Experiments: „Kann der Detektor
am Ende des Lichtwellenleiters nicht mehr unterscheiden von welchem Atom das ausgesandte Photon stammt, dann sind
die Quantenzustände der beiden Atome miteinander verschränkt“, sagt Slodicka.
Hohe Genauigkeit und Effizienz
Die Experimentalphysiker aus dem Team von Rainer Blatt müssen dabei nanometergenau arbeiten, um stabile Messungen
zu gewährleisten. „Wenn diese Bedingung erfüllt ist, erreichen wir mit diesem experimentellen Ansatz
eine sehr hohe Verschränkungsrate“, sagt Markus Hennrich. In bisherigen Experimenten wurde mit zwei Atomen
gearbeitet, die je ein Photon zu den Detektoren senden müssen. „Bis zur Detektion von zwei Photonen muss
ungefähr eine Million mal gemessen werden“, erzählt der gebürtige Slowake Lukas Slodicka, der seit
2008 in Innsbruck forscht. „Bei der neuen Methode genügt es ein einzelnes Lichtteilchen zu detektieren, so
dass wir ein etwa alle 1000 Messungen ein einen verschränkten Zustand der beiden Atome erzeugen.“ Das ist
ein enormer Fortschritt und für die praktische Nutzung von großer Bedeutung.
Vielfältig einsetzbar
„Wir können also die inneren Zustände zweier Atome über ein einzelnes Photon gezielt und mit hoher
Effizienz verschränken“, sagt Markus Hennrich. „Gleichzeitig lassen sich mit den einzelnen Atomen auch Quantenoperationen
durchführen.“ Das eröffnet den Weg für Anwendungen in großen Quantennetzwerken. „So könnten
zum Beispiel zwei Quantencomputer auf diese Weise über Lichtwellenleiter miteinander verbunden werden“, schlägt
Slodicka vor. Denn miteinander verschränkte Quantenobjekte verfügen immer über die gleichen physikalischen
Eigenschaften. Darauf basieren viele Vorschläge für zukünftige Quantentechnologien, zum Beispiel
für die Kommunikation, Kryptografie oder die Informationsverarbeitung.
Diese Ergebnisse wurden vor kurzem im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht und unter anderem
vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der EU und der Tiroler Industrie unterstützt.
|
