Zahlreiche Möglichkeiten für Quanten-Schnittstelle
Deutschen Physikern ist ein bedeutender Fortschritt für die Quantentechnologien gelungen: sie haben eine Quanten-Schnittstelle geschaffen, die eine Brücke zischen Lichtteilchen und Atomen bildet. Diese Schnittstelle könnte die Wissenschaft der Verwirklichung des ersten Quantencomputers einen Schritt näher bringen. Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden in den Physical Review Letters veröffentlicht. In ihrem Artikel erklären die Wissenschaftler von der Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz in Deutschland, dass sowohl das Einfangen als auch das optische Koppeln lasergekühlter neutraler Atome für deren Verwendung in Quantentechnologien wesentliche Faktoren sind. Das Mainzer Team erreichte beides durch die Interaktion von Cäsiumatomen mit einem mehrfarbigen evaneszenten Feld, das eine optische Nanofaser umgab. Im Wesentlichen werden diese Atome mithilfe von Laserlicht eingefangen, das durch eine ultradünne, verjüngte Glasfaser läuft (so dünn, dass sie etwa ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares besitzt). Die Faser ist damit sogar dünner als die Wellenlänge des Lichtes. Dadurch ist das Licht nicht mehr auf das Innere der Nanofaser beschränkt, sondern ragt seitlich aus ihr heraus (was zum evaneszenten Feld führt) und verbindet die gefangenen Atome. Das Ergebnis ist eine aus einer Glasfaser bestehende Quanten-Schnittstelle, mit der sich Quanteninformationen übertragen lassen - eine wesentliche Voraussetzung für die Quantenkommunikation, beispielsweise für die sichere Datenübermittlung per Quantenkryptographie. Die Wissenschaftler nehmen außerdem an, dass ihre Schnittstelle für die Verwirklichung von Hybridquantensystemen, die Atome beispielsweise mit Festkörper-Quantencomputer kombinieren, geeignet ist. Forschungsleiter Dr. Arno Rauschenbeutel von der JGU Mainz fügte hinzu, dass die Schnittstelle "auch für die Realisierung eines Quantencomputers von Nutzen sein könnte." Während die Computer von Heute Transistoren nutzen, beruht das Konzept von Quantenrechnern auf quantenmechanischen Phänomenen. "Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, aber Quantencomputer im großen Maßstab würden unsere Art zu arbeiten revolutionieren." Andererseits bilden Glasfasernetzwerke bereits das Rückgrat moderner Kommunikation (unsere Telefone und das Internet basieren überwiegend auf optischer Datenübertragung mittels Glasfaserkabeln). Das durch diese Netzwerke geführte Licht besteht aus kleinsten unteilbaren Energiequanten, den Photonen (einst entdeckt von Albert Einstein). Jedes Photon kann dabei ein Bit Information übertragen (entsprechend einer Null oder Eins). Als Quantenobjekte können Photonen gleichzeitig in den Zuständen Null und Eins existieren. Dies ermöglicht unter anderem die sogenannte Quantenkryptographie, die einen absoluten Abhörschutz verspricht. Um die Quantenkommunikation mit ihrem vollen Potenzial ausschöpfen zu können, müssen wir jedoch in der Lage sein, die in den einzelnen Photonen kodierte Quanteninformation zu speichern. Da sich Photonen selbst hierfür nicht eignen, glauben die Physiker, es wäre stattdessen besser, die Quanteninformation auf Atome zu übertragen. Hierfür benötigt man eine Schnittstelle zwischen Photonen und Atomen, die idealerweise auch in Glasfasernetzwerken eingesetzt werden kann.
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