Max-Planck-Institut für Quantenoptik Auf dem Weg zum Quanten-Internet

Steffen Schmidt-Eberle mit Kollege Thomas Stolz bei der Arbeit im Labor: Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erforschen sie Grundlagen für zukünftige Quantentechnologien.
Steffen Schmidt-Eberle mit Kollege Thomas Stolz bei der Arbeit im Labor: Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erforschen sie Grundlagen für zukünftige Quantentechnologien.

Gute Nachrichten für die Quantenforschung: Forscher entwickeln eine Technik, um Licht nicht nur zur Datenübertragung, sondern auch zur Datenverarbeitung zu nutzen. Außerdem unterstützt die EU die Quantenforschung mit 10 Millionen Euro.

Optische Technologien werden heutzutage bereits standardmäßig für den Austausch von Daten im Internet eingesetzt, denn mit Photonen können Informationen besonders schnell ausgetauscht werden und sie erreichen hohe Bandbreiten. Auch zukünftige Quantentechnologien werden voraussichtlich auf diese besonderen Eigenschaften von Photonen setzen, um Quantenzustände und damit Quanteninformationen zwischen verschiedenen Knoten zu übertragen.

Erste Versuche, Photonen nicht nur für die Übertragung, sondern auch für die Verarbeitung von Information zu nutzen, scheiterten allerdings daran, dass Lichtpulse von selbst nicht miteinander interagieren. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben dieses Problem nun gelöst, indem sie die Photonen an Rydberg-Atome koppeln. Mithilfe der starken Wechselwirkung zwischen den Rydberg-Atomen ist es ihnen erstmals gelungen, eine effektive Wechselwirkung für Photonen herzustellen und schließlich ein Quantengatter zwischen zwei Photonen zu realisieren. Ein solches Quantengatter kann in einem zukünftigen Quantencomputer oder -netzwerk eine ähnliche Rolle wie die CPU in einem klassischen Computer spielen.

Mit dem Begriff  »Rydberg-Atom« bezeichnen Wissenschaftler, jene Atome sie sich im Rydberg-Zustand befinden, was bedeutet, dass das äußerste Elektron sich sehr viel weiter weg vom Kern befindet als im »normalen« Zustand.

Photonen in Atomwolken

Die Forscher gehen im Photon-Photon-Quantengatter-Experiment wie folgt vor: Zunächst erzeugen sie eine ein Mikrokelvin kalte Atomwolke und speichern darin ein erstes Photon. Durch diese Atomwolke senden sie nun ein zweites Photon. Im Anschluss lesen sie das erste Photon aus und messen die Polarisation beider Photonen. Dabei ist der Einfluss des ersten Photons auf das zweite so stark, dass die Polarisation des zweiten Photons abhängig von der Polarisation des ersten Photons um 90 Grad gedreht wird.

»Eine der zentralen Herausforderungen, nämlich die Wechselwirkung so stark zu machen, dass der Drehwinkel nicht zu klein ausfällt, konnten wir schon vor zwei Jahren lösen. Die aktuelle Herausforderung bestand für uns darin, die Drehung nicht davon abhängig zu machen, ob das erste Photon eingestrahlt wird oder nicht, sondern davon, welche Polarisation es hat«, konkretisiert Stephan Dürr, Leiter des Projekts. Um dies zu erreichen, war es für die Forscher entscheidend, geeignete atomare Zustände zu identifizieren, an welche die Photonen gekoppelt werden können, und diese Kopplung dann technisch zu implementieren.