Phänomene der Quantenwelt, die oft skurril anmuten, werden schon lange in der Technik genutzt. Zum Beispiel,
Was ist das Problem?
Um jedoch das volle Potenzial eines Quantencomputers nutzen zu können, müssen alle verschränkten Teilchen zusammenarbeiten. Wir sprechen über die Grundelemente für Berechnungen – Qubits.
Photonen – Teilchen – sind hierfür ideal.Sweta. Der Punkt ist, dass sie von Natur aus ziemlich „stark“ sind und leicht zu manipulieren sind. Nun sind Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching einem Schritt näher gekommen, Photonen praxistauglich zu machen, beispielsweise für das Quantencomputing. Wissenschaftler haben 14 verschränkte Photonen auf spezifische Weise mit hoher Effizienz erzeugt.
Wie war der Versuch?
Die Besonderheit des neuen Experiments besteht darinWissenschaftler verwendeten ein einzelnes Atom, um Photonen auszusenden und diese auf eine bestimmte Weise zu „verflechten“. Dazu platzierten Forscher des Max-Planck-Instituts ein Rubidiumatom im Zentrum eines optischen Resonators – einer Art „Echokammer“ für elektromagnetische Wellen.
Versuchsaufbau mit einer Vakuumkammer auf einem optischen Tisch. Foto: MPQ
Mit Hilfe von Laserstrahlung eines bestimmtenFrequenzen bestimmten sie genau den Zustand des Atoms. Mit dem zusätzlichen Impuls haben die Wissenschaftler auch gezielt die Emission eines Photons verursacht, das mit dem Quantenzustand des Atoms in Verbindung gebracht wird.
Während des Experiments wiederholten die Wissenschaftler diesmehrmals verarbeiten. In den Pausen wurde das Atom auf eine bestimmte Weise manipuliert, also „gedreht“. Auf diese Weise schufen Physiker eine Kette aus 14 Lichtteilchen, die sich durch die Rotation der Atome miteinander verschränkten und in den gewünschten Zustand brachten.
14 miteinander verbundene Lichtteilchen sind derzeit die größte Anzahl verschränkter Photonen, die bisher im Labor erzeugt wurden.
Zwei Möglichkeiten des neuen Verfahrens
Aber nicht nur die Anzahl der verschränkten Photonen ist für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer sehr wichtig – auch die Art ihrer Erzeugung unterscheidet sich stark von herkömmlichen Methoden.
„Seit der Entstehung der PhotonenketteAus einem einzelnen Atom könnte es auf deterministische Weise hergestellt werden“, erklären die Wissenschaftler in einer Pressemitteilung zur neuen Studie. Das bedeutet, dass im Prinzip jeder Puls tatsächlich ein Photon „an Ort und Stelle“ mit den gewünschten Eigenschaften liefert.
Bisher ist die Verschränkung dieser Teilchen in der Regeltrat in speziellen nichtlinearen Kristallen auf. Das Problem ist, dass dort Lichtteilchen zufällig erzeugt werden und nicht kontrolliert werden können. Infolgedessen begrenzt dies die Anzahl der Teilchen, die in einer kollektiven Wechselwirkung kombiniert werden können.
Installation eines optischen Resonators im Vakuum. Ein einzelnes Rubidium-Atom ist zwischen konischen Spiegeln im Inneren des Halters gefangen. Foto: MPQ
Andererseits wurde die Methode in entwickeltNeue Forschungsergebnisse ermöglichen die Erzeugung nahezu beliebig vieler verschränkter Photonen. Darüber hinaus ist es sehr effektiv. Dies bedeutet, dass es in Zukunft in der Praxis angewendet werden kann. Daher haben Wissenschaftler die resultierende Photonenkette gemessen und ihre Effizienz von 50 Prozent nachgewiesen.
Fast jeder zweite "Knopfdruck" auf ein AtomRubidium lieferte ein brauchbares Lichtteilchen. In früheren Experimenten konnten Wissenschaftler dies nicht erreichen. Die neue Arbeit beseitigt ein seit langem bestehendes Hindernis für skalierbares, auf Messungen basierendes Quantencomputing, betonen die Wissenschaftler.
Was weiter?
Jetzt wollen MPQ-Mitarbeiter ein weiteres Problem lösendas Problem der Quantenzukunft. Für komplexe Rechenoperationen sind beispielsweise mindestens zwei Atome als Photonenquellen im Hohlraum erforderlich. „Wir arbeiten bereits daran, dieses Problem zu lösen“, erklärten die Wissenschaftler in einer Stellungnahme.
Das haben auch Max-Planck-Mitarbeiter erklärtDie Technologie lässt sich nicht nur für Quantencomputing nutzen. Beispielsweise wird es in der Quantenkommunikation nützlich sein – bei der abhörsicheren Übertragung von Informationen über Glasfaser. Aufgrund optischer Effekte wie Streuung und Absorption geht Licht in der Glasfaser während der Ausbreitung „verloren“. Dadurch wird die Distanz, über die Daten übertragen werden können, stark eingeschränkt.
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