Quantencomputer: Weiterer Schritt zur Kopplung von Licht und Atomen

Atlanta (USA) - Quantencomputer versprechen auf dem Papier eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Noch sind die technischen Hürden aber so hoch, dass sich nur wenige Bits miteinander verschalten lassen. Physikern aus den USA ist es nun gelungen, ein neues Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung zu entwickeln, bei dem sie gleich mehrere typische Quanteneffekte geschickt ausnutzten. Dadurch konnten sie Materie und Licht miteinander so wechselwirken lassen, dass die flüchtigen Quantenkorrelationen, auf denen das Quantencomputing basiert, nicht verloren gingen. Zugleich konnten sie die Rate, mit der Lichtteilchen ausgesandt werden, um rund den Faktor 100 im Vergleich zu ähnlichen Experimenten erhöhen, berichten sie im Fachblatt „Nature“. Damit eröffnet ihr Verfahren neue Wege, größere Quantennetzwerke aufzubauen.

„Das System, das wir realisiert haben, ist näher an einem Quantennetzwerk als alles, wozu wir bislang je in der Lage waren“, sagt Alex Kuzmich, Leiter der Forschungsgruppe am Georgia Institute of Technology. Quantencomputing benötigt Teilchen, die miteinander verschränkt sind. Die Verschränkung ist eine eigentümliche quantenphysikalische Eigenschaft, welche Teilchen auch dann miteinander verbindet, wenn sie weit voneinander getrennt sind. Einstein nannte sie deshalb „spukhafte Fernwirkung“. Zugleich ermöglicht sie aber völlig neuartige Methoden der Informationsverarbeitung.

Die Forscher um Erstautor Lin Li sperrten eine Wolke aus ultrakalten Rubidium-Atomen in eine optische Falle, in der sie mit Laserstrahlen fixiert waren. Dann regten sie ein Atom in dieser Wolke mit einem anderen Laser genau passend so an, dass dieses in einen sogenannten Rydberg-Zustand geriet. Diese nach dem schwedischen Physiker Johannes Rydberg benannten Zustände kennzeichnen extrem hochangeregte Atome, die dadurch um ein Vielfaches größer und nebenbei sehr empfänglich für die Wechselwirkung mit Licht werden. Die Forscher konnten mit Hilfe einer ausgeklügelten Analysemethode dann nachweisen, dass die Atome in der Rubidiumwolke und das Laserlicht tatsächlich eine Verschränkung eingingen. Diese war auch sehr robust: Die fluktuierende Anzahl von Teilchen in der Rubidiumwolke hatte keinen Effekt auf ihre Messungen.

Materie eignet sich gut, um Daten zu speichern, Licht hingegen zur Datenübertragung. Will man größere Quantennetzwerke aufbauen, ist deshalb ein robustes Verfahren erforderlich, um die Zustände von Materie in Licht zu überführen und umgekehrt. Dank der Ergebnisse der Forscher aus Georgia zeichnen sich nun neue Möglichkeiten ab, auch wenn die Studie vorerst noch reine Grundlagenforschung ist. Der nicht an der Studie beteiligte Quantenphysiker Matthias Weidemüller von der Universität Heidelberg kommentiert das neue Verfahren jedenfalls sehr positiv: „Li und seine Kollegen zeigen neue Wege auf, ein robustes Quantennetzwerk zu schaffen, um Informationen zwischen Materie und Licht auszutauschen und auch potenziell größer angelegte Quantennetzwerke aufzubauen.“