Forschern gelingt räumlich getrennte Quantenverschränkung

Europäischen Forschern ist ein Durchbruch im Bereich der quantenmechanischen Verschränkung räumlich getrennter Quantensysteme gelungen. Das Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland konnte demonstrieren, wie zwei weit voneinander entfernte atomare Quantens...

Europäischen Forschern ist ein Durchbruch im Bereich der quantenmechanischen Verschränkung räumlich getrennter Quantensysteme gelungen.

Das Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland konnte demonstrieren, wie zwei weit voneinander entfernte atomare Quantensysteme in einen gemeinsamen "verschränkten" Zustand gebracht werden können. Dabei besteht das eine System aus einem einzelnen Atom, das in einem optischen Resonator gefangen ist, das andere ist ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus Hunderttausenden von ultrakalten Atomen.

Dieser Meilenstein in der Entwicklung von Quantennetzwerken konnte mit dem "Hybrid-System" aus zwei entfernten, miteinander verschränkten Knoten erreicht werden. Für dieses Experiment erhielten die Forscher 5,3 Mio. EUR aus dem Projekt AQUTE ("Atomic quantum technologies"), das mit Mitteln aus dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) der EU finanziert wurde.

Albert Einstein selbst hat als erster das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung aufgrund seiner merkwürdigen Konsequenzen als "geisterhafte Fernwirkung" bezeichnet. Physiker versuchen bereits seit Jahren, Konzepte zu entwickeln, mit denen dieses Phänomen für praktische Anwendungen genutzt werden kann, beispielsweise die abhörsichere Datenübertragung, für die ist es notwendig ist, die ausschließlich lokal entstehende Verschränkung auf weit voneinander entfernte Systeme zu verteilen.

Darüber hinaus könnten solche Netzwerke auch zur Entwicklung eines universellen Quantencomputers beitragen, in dem Quantenbits mit Photonen zwischen den Knoten ausgetauscht und dort gespeichert und verarbeitet werden.

Bei dem quantenmechanischen Phänomen der Verschränkung werden zwei Quantenteilchen so miteinander verknüpft, dass ihre Eigenschaften streng miteinander korreliert sind. Dazu müssen die Teilchen direkt miteinander in Kontakt kommen. Für viele Anwendungen in einem Quantennetzwerk ist es allerdings notwendig, dass diese Verschränkung von zwei entfernten Knoten, den sogenannten "ruhenden" Quantenbits, geteilt wird. Dies kann zum Beispiel durch Photonen, auch als "fliegende" Quantenbits bezeichnet, für die Übertragung der Verschränkung passieren.
In der klassischen Telekommunikation wird Licht auf ähnliche Weise genutzt, um Informationen zwischen Computern oder Telefonen auszutauschen. Bei Quantennetzwerken ist dies jedoch weitaus schwieriger, da verschränkte Quantenzustände extrem fragil sind und nur bestehen bleiben, wenn die Teilchen perfekt von ihrer Umgebung isoliert sind.

Die deutsche Forschungsgruppe bewältigte diese Aufgabe, indem sie zwei unterschiedliche, in verschiedenen Laborräumen befindliche atomare Quantensysteme in einen verschränkten Zustand brachten. Auf der einen Seite befindet sich ein einzelnes Rubidiumatom, das in einem aus zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildeten Resonator gefangen ist, auf der anderen Seite ein Ensemble aus Hundertausenden von extrem kalten Rubidiumatomen, die ein BEC bilden. Im BEC besitzen alle Teilchen die gleichen Quanteneigenschaften, so dass sie sich gemeinsam wie ein einziges großes "Superatom" verhalten.

"Die gute Eignung eines BEC als Quantenspeicher hängt auch damit zusammen, dass in diesem exotischen Quantenzustand keine Störungen durch Wärmebewegung auftreten", betont Matthias Lettner, einer der Studienautoren. "Dies ermöglicht es, Quanteninformation mit hoher Effizienz abzuspeichern und auszulesen sowie über lange Zeiten zu erhalten. Der Austausch von Quanteninformation zwischen Photonen und atomaren Quantensystemen erfordert eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung. Während wir dies beim einzelnen Atom durch die Vielfachreflexionen zwischen den beiden Spiegeln des Resonators erreichen, wird die Licht-Materie-Wechselwirkung beim BEC durch die große Zahl an Atomen verstärkt."

Das übergeordnete Ziel des AQUTE-Projekts besteht in der Entwicklung von Quantentechnologien auf der Basis von atomaren, molekularen und optischen (AMO) Systemen, sowohl für skalierbare Quantencomputer als auch für verschränkungsfähige Technologien wie Metrologie und Sensorik. Darüber hinaus sollen im Rahmen des Projekts, so die Hoffnungen, neuer interdisziplinäre Verbindungen geschaffen und ausgenutzt werden, die auf AMO-Physik aufbauen aber auch Konzepte und experimentelle Studien zu Festkörpersystemen umfassen. Ziel ist die Verstärkung interdisziplinärer Verknüpfungen an der Spitze der Quanteninformationsverarbeitung und anderer Gebiete der Physik oder der Wissenschaft im Allgemeinen sowie die Entwicklung neuartiger Hybrid-Systeme, die auf kohärente Weise physikalisch verschiedene Quantenfreiheitsgrade koppeln.Weitere Informationen unter: Max-Planck-Institut für Quantenoptik: http://www.mpq.mpg.de

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