Quantencomputer: Auf dem Weg zum Quanten-Internet
Obwohl es Quantencomputer, die komplizierte Probleme mit ein paar Rechenschritten lösen können, noch nicht gibt, arbeiten Forscher schon an ihrer Vernetzung. In den Labors dieser Welt stehen bereits mögliche Bausteine eines künftigen Quanten-Internets. Jetzt ist ein weiterer Schritt in Richtung Netzwerk geglückt.
Ein Quantennetzwerk würde wie ein herkömmliches Computernetzwerk aus vielen Knoten bestehen, die mit Leitungen für den Informationsaustausch verbunden sind. Für die Knoten verwenden Physiker kalte Ansammlungen identischer Atome, weil diese sich für das Speichern von Quantenzuständen gut eignen. Lichtteilchen können die in diesen Zuständen steckende Information aufnehmen, durch optische Fasern transportieren und auf einen anderen Knoten übertragen.
Damit die Information fließt, müssen die Quantenzustände der Knoten miteinander verschränkt sein. Die Verschränkung ist ein Phänomen, das es nur in der Welt der Quanten gibt. Befinden sich zwei Teilchen in einem solchen Zustand, dann legt die Messung einer bestimmten Eigenschaft an einem der beiden das Ergebnis einer gleichzeitigen Messung dieser Eigenschaft an einem anderen fest − egal wie weit die Partikel voneinander entfernt sind.
Aber auch mit mehreren Teilchen ist eine Verschränkung machbar. Physikern des California Institute of Technology in Pasadena ist es nun beispielsweise gelungen, zwei getrennte Bereiche einer Atomwolke miteinander zu verschränken, indem sie verschränkte Quantenzustände eines Photons in die Wolke schickten. Ihr Verfahren würde es auch erlauben, die Zustände zu zwei getrennten und weit voneinander entfernten Atomansammlungen zu senden und diese somit miteinander zu verschränken.
Die Forscher um Jeff Kimble haben zunächst einen Lichtpuls erzeugt, der aus nur einem Photon besteht. Diesen spalteten sie mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei getrennte Lichtpulse auf. Denn laut den Gesetzen der Quantenphysik kann das einzelne Photon beide Wege gleichzeitig durchlaufen. Erst wenn ein Beobachter das Lichtteilchen auf einem der Pfade ertappt, steht fest, dass es nicht auf dem anderen zu finden ist. Die beiden möglichen Zustände beeinflussen sich also gegenseitig − sie sind miteinander verschränkt.
Die Lichtpulse lenkten die Physiker durch zwei getrennte Bereiche einer Wolke aus kalten Cäsium-Atomen. Die Wege der Pulse durch das Cäsium-Gas leuchteten die Forscher mit einem Laserstrahl aus, der die Wolke für die beiden Lichtpulse transparent machte. Nachdem die Pulse in die Wolke eingedrungen waren, schalteten die Physiker den Kontrolllaser aus und machten das Cäsium-Gas somit undurchdringlich für die Pulse. Dadurch wurden sie zwar ausgelöscht, doch übertrugen sie vorher noch ihren Quantenzustand auf die Cäsium-Atome in ihrer Umgebung. Ebenso wie zuvor die beiden Lichtpulse waren nun die beiden Bereiche der Cäsiumwolke miteinander verschränkt.
Nach einer Mikrosekunde schalteten die Forscher den Laser wieder ein, was den umgekehrten Prozess in Gang setzte: Die in das Cäsium-Gas eingeprägten Quantenzustände verwandelten sich wieder in Lichtpulse, die ihren Reise fortsetzten und die Atomwolke verließen. Indem sie die wiedererwachten Pulse überlagerten, konnten die Forscher prüfen, wie gut die Verschränkung gelungen war. Die Kontraste des Interferenzmusters zeigten ihnen, dass es mit einer Wahrscheinlichkeit von 17 Prozent gelang, eine Verschränkung der Cäsium-Atome herbeizuführen und wieder in verschränkte Lichtpulse zurückzuverwandeln.
Für ein großflächiges Quantennetzwerk brauchen Forscher Methoden, die mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit eine Verschränkung zwischen beliebigen Knoten erzielen. Bei bisherigen Verfahren sei diese Wahrscheinlichkeit zu gering, um ein beliebig großes Netzwerk aufzubauen, schreiben Kimble und seine Kollegen.
Ihre Methode hingegen erlaube es, die Verschränkungswahrscheinlichkeit so weit zu erhöhen, dass das möglich wird, schreiben die Physiker Im Moment werde sie dadurch begrenzt, dass die Photonenquelle manchmal zwei oder mehrere Photonen gleichzeitig aussende. Dieses Problem könne aber bald durch bessere Ein-Photonen-Quellen gelöst werden.
Damit die Information fließt, müssen die Quantenzustände der Knoten miteinander verschränkt sein. Die Verschränkung ist ein Phänomen, das es nur in der Welt der Quanten gibt. Befinden sich zwei Teilchen in einem solchen Zustand, dann legt die Messung einer bestimmten Eigenschaft an einem der beiden das Ergebnis einer gleichzeitigen Messung dieser Eigenschaft an einem anderen fest − egal wie weit die Partikel voneinander entfernt sind.
Aber auch mit mehreren Teilchen ist eine Verschränkung machbar. Physikern des California Institute of Technology in Pasadena ist es nun beispielsweise gelungen, zwei getrennte Bereiche einer Atomwolke miteinander zu verschränken, indem sie verschränkte Quantenzustände eines Photons in die Wolke schickten. Ihr Verfahren würde es auch erlauben, die Zustände zu zwei getrennten und weit voneinander entfernten Atomansammlungen zu senden und diese somit miteinander zu verschränken.
Die Forscher um Jeff Kimble haben zunächst einen Lichtpuls erzeugt, der aus nur einem Photon besteht. Diesen spalteten sie mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei getrennte Lichtpulse auf. Denn laut den Gesetzen der Quantenphysik kann das einzelne Photon beide Wege gleichzeitig durchlaufen. Erst wenn ein Beobachter das Lichtteilchen auf einem der Pfade ertappt, steht fest, dass es nicht auf dem anderen zu finden ist. Die beiden möglichen Zustände beeinflussen sich also gegenseitig − sie sind miteinander verschränkt.
Die Lichtpulse lenkten die Physiker durch zwei getrennte Bereiche einer Wolke aus kalten Cäsium-Atomen. Die Wege der Pulse durch das Cäsium-Gas leuchteten die Forscher mit einem Laserstrahl aus, der die Wolke für die beiden Lichtpulse transparent machte. Nachdem die Pulse in die Wolke eingedrungen waren, schalteten die Physiker den Kontrolllaser aus und machten das Cäsium-Gas somit undurchdringlich für die Pulse. Dadurch wurden sie zwar ausgelöscht, doch übertrugen sie vorher noch ihren Quantenzustand auf die Cäsium-Atome in ihrer Umgebung. Ebenso wie zuvor die beiden Lichtpulse waren nun die beiden Bereiche der Cäsiumwolke miteinander verschränkt.
Nach einer Mikrosekunde schalteten die Forscher den Laser wieder ein, was den umgekehrten Prozess in Gang setzte: Die in das Cäsium-Gas eingeprägten Quantenzustände verwandelten sich wieder in Lichtpulse, die ihren Reise fortsetzten und die Atomwolke verließen. Indem sie die wiedererwachten Pulse überlagerten, konnten die Forscher prüfen, wie gut die Verschränkung gelungen war. Die Kontraste des Interferenzmusters zeigten ihnen, dass es mit einer Wahrscheinlichkeit von 17 Prozent gelang, eine Verschränkung der Cäsium-Atome herbeizuführen und wieder in verschränkte Lichtpulse zurückzuverwandeln.
Für ein großflächiges Quantennetzwerk brauchen Forscher Methoden, die mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit eine Verschränkung zwischen beliebigen Knoten erzielen. Bei bisherigen Verfahren sei diese Wahrscheinlichkeit zu gering, um ein beliebig großes Netzwerk aufzubauen, schreiben Kimble und seine Kollegen.
Ihre Methode hingegen erlaube es, die Verschränkungswahrscheinlichkeit so weit zu erhöhen, dass das möglich wird, schreiben die Physiker Im Moment werde sie dadurch begrenzt, dass die Photonenquelle manchmal zwei oder mehrere Photonen gleichzeitig aussende. Dieses Problem könne aber bald durch bessere Ein-Photonen-Quellen gelöst werden.
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