Weltweite Teleportation von Quantenbits Bits zum Beamen

Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen Forscher mit einer neuen Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, die die globale Teleportation von Quanten­informationen ermöglichen.

Die Forscher von Quantenspeichern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben es geschafft: Sie konnten auf einem einzelnen Atom – gefangen in einem optischen Resonator – ein photonisches Quantenbit über einen Zeitraum von mehr als 100 ms speichern. Speicherzeiten dieser Größenordnung sind Voraussetzung für den Aufbau eines Quantennetzwerkes, in dem die Quanteninformation durch Teleportation auf die diversen Netzknoten ver­teilt wird.

Licht ist ein idealer Träger für Quanteninformationen. Beim direkten Transport über große Distanzen gehen jedoch wertvolle Quantenbits verloren. Derartige Verluste können durch die Teleportation des Quantenbits zwischen den Endknoten eines Quantennetzwerks verhindert werden. Hierfür wird zunächst eine »Verschränkung« zwischen den Knoten erzeugt. Mit Hilfe dieser Fernwechselwirkung wird das Quantenbit bei einer geeigneten Messung auf dem Senderknoten sofort zum Empfängerknoten übertragen. Allerdings kann es passieren, dass es »verdreht« ankommt und zunächst zurückgedreht werden muss. Dafür werden entsprechende Informationen benötigt, die auf dem klassischen Weg vom Senderknoten zum Empfänger geschickt werden müssen. Das Quantenbit muss so lange gespeichert werden, bis die Informa­tionen den Emfänger erreicht haben.

Ein Photon als Speicher

Die Forschergruppe hat bereits vor einigen Jahren eine Technik entwickelt, die in einem Photon kodierte Quanteninformation auf einem einzelnen Atom zu speichern. Dazu wird ein Rubidiumatom im Zentrum eines von zwei Spiegeln (Abstand 500 μm) gebildeten optischen Resonators platziert und von zwei stehenden Lichtwellen – parallel und senkrecht zur Resonatorachse – festgehalten. Einzelne Lichtquanten werden in den Resonator geschickt. Auf den Lichtquanten sind Quanteninformation in Form einer kohärenten Überlagerung von rechts- und linksdrehendem Polarisationszustand kodiert. Durch die zig-tausendfache Reflexion eines Photons im Resonator erhöht sich dessen Lichtfeld so stark, dass es mit dem Atom effektiv in Wechselwirkung treten kann.

Zeitgleich mit der Ankunft des Photons im Resonator wird ein Laserkontrollpuls geschaltet, der die Übertragung und Speicherung der photonischen Quanteninformation in Gang setzt. Dabei werden die beiden Polarisationszustände des Photons auf zwei bestimmte Energieniveaus im Atom abgebildet. Die kohärente Superposition der atomaren Zustände blieb in früheren Experimenten jedoch nur für die Dauer von einigen 100 μs erhalten.

Was tun gegen Dephasierung?

»Unser generelles Problem bei der Speicherung von Quanteninformation ist die sogenannte Dephasierung«, erklärt Stefan Langenfeld, Doktorand am Experiment. Laut Langenfeld ist für die Quanteninforamtion die kohärent überlagerten Phasenbeziehung der Wellenfunktion der beiden Energiezustände wichtig. In der Praxis gehe die Phasenbeziehung der atomaren Superposition jedoch im Laufe der Zeit verloren.

Für das neue Experiment wurden darum zusätzliche Maßnahmen ergriffen: Sobald die Übertragung der Information von Lichtquant zu Atom stattgefunden hat, wird mit einem Laserstrahl im Atom ein Raman-Übergang induziert. Er überträgt die Population eines Energieniveaus kohärent auf ein anderes. Die resultierende Konfiguration ist etwa 500-mal unempfindlicher gegenüber Magnetfeldfluktuationen.

Zum Auslesen des Quantenbits wird der Raman-Übergang rückwärts durchlaufen und die Eigenschaften des photonischen Quantenbits werden untersucht. Die Messungen ergeben eine Übereinstimmung von etwa 90 Prozent mit dem ursprünglichen Photon, und das für Speicherzeiten von 10 ms. Allein durch die vorübergehende Verschiebung der atomaren Population gelingt eine mehr als 10-fache Steigerung der Kohärenzzeit.