Eine Schnittstelle für Quantencomputer

Transfer von Zuständen: Licht und Materie im Informationsaustausch

Von Rainer Scharf

Im Computer der Zukunft, der konsequent die Gesetze der Quantenmechanik nutzen soll, könnte das Licht eine ebenso wichtige Rolle spielen wie die Materie. Die Speicherelemente und Prozessoren dieses Quantencomputers wären einzelne, isoliert gehaltene Atome, während Lichtquanten oder Photonen für den Informationsaustausch zwischen den Atomen sorgten. Eine entscheidende Rolle spielte dabei die Schnittstelle zwischen Atom und Photon. Dort wird die Information, die im Quantenzustand des Atoms gespeichert ist, auf ein abgehendes Photon übertragen, und das Atom wiederum erhält Quanteninformationen von einem ankommenden Lichtteilchen. Solch eine Schnittstelle haben Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching entwickelt und getestet.

Angeregte Atome strahlen ihre Lichtquanten normalerweise zu völlig unvorhersehbaren Zeiten in zufällige Richtungen ab, so dass sich dieser Vorgang für eine kontrollierte Informationsübergabe kaum nutzen lässt. Deshalb haben Gerhard Rempe und seine Mitarbeiter die Atome und Photonen zunächst einmal streng diszipliniert. Sie ließen Rubidiumatome einzeln zwischen zwei runden, für Photonen teildurchlässigen Spiegeln herabrieseln, die einander zugewandt waren und einen zylindrischen optischen Resonator bildeten. Die Atome wurden im Resonator mit einem gepulsten Laserstrahl angeregt, der – von der Seite kommend – senkrecht zur Zylinderachse ausgerichtet war. Der Resonator bewirkt, dass ein angeregtes Atom sofort ein Photon einer bestimmten Frequenz abgibt, das längs der Zylinderachse davonfliegt.

Bei der Emission des Photons stehen dem Atom zwei Möglichkeiten offen: Das Photon kann rechts- oder linkszirkular polarisiert sein, das heißt, die Schwingungsrichtung des zugehörigen elektrischen Feldes dreht sich um die Flugrichtung des Photons wie eine Rechts- oder eine Linksschraube. Den entsprechenden Drehimpuls des Photons muss das zurückbleibende Atom durch einen entgegengesetzten Drehimpuls kompensieren. Es dreht sich wie ein Kreisel links- beziehungsweise rechtsherum. Nach den Gesetzen der Quantenphysik braucht sich das Atom aber noch nicht gleich zu entscheiden, ob es ein rechts- oder ein linkshändiges Photon abstrahlt. Ihm stehen beide Möglichkeiten gleichzeitig offen, so wie Schrödingers Katze zugleich tot und lebendig ist – solange man ihren tatsächlichen Zustand nicht überprüft.

Wenn das Atom ein Lichtquant emittiert hat, sind die Zustände der beiden Teilchen miteinander „verschränkt“. Beide rotieren in entgegengesetzte Richtung, doch ob links- oder rechtsherum, das bleibt dem Zufall überlassen. Anschließend entweicht das Photon durch einen der beiden Spiegel, und sein Polarisationszustand kann untersucht werden. Den mit dem Photon noch abgestimmten Zustand, in dem sich das zurückbleibende Atom befand, haben Rempe und seine Kollegen auf ein zweites Photon übertragen. Dazu regten sie das Atom nach etwa einer Mikrosekunde abermals mit einem Laserpuls an. Daraufhin emittierte es umgehend ein weiteres Photon in Richtung der Zylinderachse des Resonators. Dieses Photon nimmt in dem Experiment den Drehimpuls des Atoms auf. Doch da der Zustand des Atoms unbestimmt ist, bleibt es auch offen, ob das zweite Photon rechts- oder linkszirkular polarisiert ist. Bei einer erfolgreichen Übertragung des Zustands vom Atom auf das zweite Photon müssen nun die Zustände der beiden Photonen miteinander verschränkt sein, während sich das Atom wieder in seinem Anfangszustand befindet.

Dass die Zustände der beiden Photonen tatsächlich miteinander verschränkt waren, wiesen die Forscher durch Polarisationsmessungen nach. Dazu wiederholten sie ihr Experiment an einigen tausend Atomen. Die dabei erzeugten Photonenpaare zeigten bei den Messungen tatsächlich so eng miteinander abgestimmte Polarisationszustände, wie dies nur verschränkte Photonen können. Damit steht fest, dass die Garchinger Physiker gewissermaßen auf Knopfdruck den Quantenzustand eines einzelnen Atoms auf ein Photon übertragen haben. Setzten sie das Atom zwischen den beiden Laserpulsen einem Magnetfeld aus, so veränderte sich sein Zustand. Doch auch diesen konnten sie originalgetreu auf ein Photon übertragen.

Da die kontrollierte Zustandsübertragung von einem Photon auf ein Atom schon früher gelungen war, ist die Schnittstelle zwischen Atom und Photon damit perfekt. In zukünftigen Experimenten sollen die Zustände von zwei Atomen, die weit voneinander entfernt sind, mit Hilfe von Photonen verschränkt werden. So könnte man zwei Quanteninformationsspeicher miteinander abstimmen und ein kleines Quantennetzwerk herstellen. Das wäre ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer.

Text: F.A.Z., 04.07.2007, Nr. 152 / Seite N2