Meilenstein auf dem Weg zu nützlichen Quantentechnologien erreicht

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Symbolfoto (Universität Paderborn, Besim Mazhiqi): Forschende der Arbeitsgruppe
Symbolfoto (Universität Paderborn, Besim Mazhiqi): Forschende der Arbeitsgruppe ,,Integrierte Quantenoptik’ verschränken kleinste Lichtteilchen - Photonen - miteinander. Download (4 MB)

Forschende der Universitäten Paderborn und Ulm entwickeln den ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher

Kleinste Teilchen, die miteinander verbunden sind, obwohl sie teilweise tausende Kilometer trennen - Albert Einstein nannte dies eine ,,spukhafte Fernwirkung". Was in Hinblick auf die klassische Physik unerklärlich ist, gehört zum fundamentalen Bestandteil der Quantenphysik. Eine sogenannte Verschränkung kann zwischen mehreren Quantenteilchen auftreten, wobei bestimmte Eigenschaften der Teilchen miteinander gekoppelt sind. Verschränkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen zeigen bedeutende Vorteile bei der Realisierung von Quantenalgorithmen, die perspektivisch in der Kommunikation, Datensicherheit oder beim Quantencomputing eingesetzt werden könnten. Forschende der Universität Paderborn haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der Universität Ulm den ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher entwickelt. Die Studie wurde als Editor’s suggestion in den Physical Review Letters veröffentlicht.

Verschränkte Lichtteilchen

Die Arbeitsgruppe ,,Integrierte Quantenoptik" unter der Leitung von Christine Silberhorn am Department Physik und Institut für photonische Quantensysteme (PhoQS) an der Universität Paderborn verwendet kleinste Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, als Quantensysteme. Das Ziel der Wissenschaftler*innen: möglichst viele davon in großen Zuständen zu verschränken. Gemeinsam mit Forschern des Instituts für Theoretische Physik an der Universität Ulm haben sie nun einen neuen Ansatz vorgestellt.

Bisher konnten mehr als zwei Teilchen nur sehr ineffizient miteinander verschränkt werden. Wollten Forschende zwei Teilchen mit weiteren koppeln, mussten sie teilweise lange warten, denn die Verschaltung, die diese Verschränkungen erzeugen können, funktionieren nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, das heißt, nicht per Knopfdruck. Das führte dazu, dass die Photonen schon nicht mehr im Experiment waren, wenn die nächsten passenden Teilchen ankamen - denn das Speichern von den Qubit-Zuständen stellt eine große experimentelle Herausforderung dar.

Schritt für Schritt bis zur großen Verschränkung

,,Wir haben jetzt einen programmierbaren optischen Quantenkurzzeitspeicher entwickelt, der dynamisch zwischen den verschiedenen Modi - dem Speichermodus, dem Interferenzmodus und der abschließenden Freigabe - hinund herschalten kann", so Silberhorn. Ein kleiner Quantenzustand kann in dem Versuchsaufbau so lange gespeichert werden, bis ein nächster Zustand erzeugt wird und beide dann miteinander verschränkt werden können. Hierdurch ,,wächst" Teilchen für Teilchen ein großer verschränkter Quanten-Zustand. Das Team um Silberhorn hat auf diese Weise bereits sechs Teilchen miteinander verschränkt und ist dabei viel effizienter als alle bisherigen Experimente. Zum Vergleich: Die größte Verschränkung von Photonenpaaren, durchgeführt von chinesischen Forschenden, besteht aus zwölf einzelnen Teilchen. Allerdings benötigte das Herstellen dieses Zustandes um mehrere Größenordnungen mehr Zeit.

Die Quantenphysikerin erklärt: ,,Mit unserem System können wir Schritt für Schritt immer größere verschränkte Zustände aufbauen - das ist viel zuverlässiger, schneller und effizienter als mit allen bisherigen Methoden. Für uns ist das ein Meilenstein, mit dem die praktische Anwendung von großen verschränkten Zuständen für nützliche Quantentechnologien in greifbare Nähe rückt." Der neue Ansatz ist mit allen gängigen Quellen zur Photonenpaar-Erzeugung kombinierbar. So können auch andere Wissenschaftler*innen die Methodik anwenden.

Zur Studie: https://journals.aps.org/prl­/abstract/­10.1103/Ph­ysRevLett.­129.150501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.150501

Grafik (Silberhorn et al. 2022): Links im Bild (grünes Dreieck) befindet sich eine Quanten-Lichtquelle, die so lange gepumpt wird, bis sie zwei verschränkte Photonen erzeugt. Anschließend wird ein Photon gemessen (gelbes Quadrat), wobei ein elektronisches ein Signal erzeugt wird. Das andere Photon geht in den Speicher: Das Herzstück des Experiments ist rechts im Bild zu sehen: ein rein optischer Polarisations-Quantenspeicher (rechtes Quadrat), der durch ein Vorwärtssignal (durch das schwarze Kabel) dynamisch programmiert werden kann. Das bedeutet: Ist ein Photon detektiert, wird das ,,Partner-Photon" gespeichert, bis das nächste Paar erzeugt wird. Dadurch schaltet der Betriebsmodus des programmierbaren Speichers um und die Interferenz zwischen dem neu erzeugten und dem gespeicherten Photon aktiviert. Durch Wiederholung dieses Vorgangs wird die Größe des verschränkten Mehr-Photonen-Zustands schrittweise erhöht.