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Verschränkung von gefangenen Ionen über 200 Meter Entfernung hinweg

Eine EU-finanzierte Forschungsarbeit zeigt, dass eingefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für Langstrecken-Quantennetzwerke sein könnten.

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Ein Meter? Zwei Meter? Nein, ganze 230 Meter Entfernung waren es, über die Forschende mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts QIA nun zwei Ionen erfolgreich miteinander verschränkt haben. Diese erfolgreiche Langstreckenverschränkung zeigt, dass sich gefangene Ionen zur Realisierung von Quantennetzwerken eignen könnten, die ganze Städte und, in Zukunft, sogar Kontinente umspannen. Das Experiment wird in einer Studie beschrieben, die in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde.

Das Potenzial von gefangenen Ionen

Bei der Quanteninformatik mit eingefangenen Ionen werden Ionen, d. h. elektrisch geladene Atome, in elektromagnetischen Feldern als Quantenbits (Qubits) festgehalten und eingeschlossen. Qubits aus gefangenen Ionen bieten einen aussichtsreichen Ansatz für quanteninformatische Anwendungen. Doch um Quantenetzwerke zu realisieren, muss es zunächst gelingen, die empfindlichen Quantenzustände von Qubits über weite Entfernungen hinweg zu teilen. Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Tracy Northup und Dr. Ben Lanyon vom QIA-Projektpartner, der Universität Innsbruck, Österreich, hat das nun als machbar bewiesen, indem es zwei Ionen verschränkte, die sich in zwei unterschiedlichen Gebäuden befanden. Wie es in einer Pressemitteilung auf der Website von QIA berichtet wird, war es dem Team zuvor bereits gelungen, Ionen in optischen Resonatoren zu fangen, sodass Quanteninformationen effizient an Lichtpartikel (Photonen) übermittelt werden konnten. Die Photonen konnten dann über Glasfasern übertragen werden, um Ionen an unterschiedlichen Standorten miteinander zu verbinden. Für dieses Experiment bauten die Forschenden die beiden Quantensysteme in zwei Labors am Campus Technik der Universität Innsbruck auf. Das eine befand sich im Gebäude des Instituts für Experimentalphysik, das andere am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. „Bisher wurden gefangene Ionen nur im selben Labor über ein paar Meter hinweg miteinander verschränkt“, bemerkt Dr. Lanyon in der Pressemitteilung. „Das wurde auch mit gemeinsamen Kontrollsystemen und Photonen [Lichtteilchen] realisiert, deren Wellenlängen nicht dafür geeignet sind, längere Entfernungen zurückzulegen.“ Nach mehrjähriger Forschung gelang es dem wissenschaftlichen Team schließlich, zwei Ionen über den Campus hinweg miteinander zu verschränken. „Wir haben dazu einzelne mit den Ionen verschränkte Photonen über ein 500 Meter langes Lichtleiterkabel geschickt und miteinander überlagert, sodass die Verschränkung auf die beiden entfernten Ionen übertragen wird“, erklärt Prof. Northup. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung zukünftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind.“ Das langfristige Ziel der QIA (Quantum Internet Alliance) ist die Schaffung eines globalen Quanteninternets aus europäischer Hand, das die Quantenkommunikation zwischen zwei beliebigen Orten der Welt möglich macht. Um auf dieses Ziel hinzuarbeiten, hat sie 40 führende europäische Universitäten, Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengebracht. Das Projekt endet 2026. Weitere Informationen: QIA-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

QIA, Ion, Quantum, Quantennetzwerk, Quanteninformation, gefangenes Ion, Photon, Qubit, Verschränkung

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