Beam me up! – Neues von der Quanten-Teleportation
In der klassischen, makroskopischen Welt ist es ohne Weiteres möglich, Informationen zu kopieren und zu senden, so zum Beispiel mit einem Fax-Gerät. In der mikroskopischen Quantenwelt ist dies jedoch nicht so einfach zu realisieren. Quanteninformation kann nicht kopiert und nur transferiert werden, wenn dabei das Original zerstört wird. Wie also kann man die Übertragung eines Quantenzustands zwischen zwei Orten erreichen?
In „Nature Physics“ berichteten Wissenschaftler der Universität Heidelberg, der University of Science and Technology of China und der TU Wien kürzlich von der experimentellen Übertragung eines unbekannten Quantenzustands mit zwischenzeitlicher Speicherung. Autoren sind Yu-Ao Chen, Shuai Chen, Zhen-Sheng Yuan, Bo Zhao, Chih-Sung Chuu, Jörg Schmiedmayer und Jian-Wei Pan.Quantenzustände (Quanten-Bits) sind äußerst sensitiv gegenüber Störung. Verschiedene physikalische Systeme weisen unterschiedliche Vorteile bei der Übermittlung, Manipulation und Speicherung von Quantenzuständen auf: Photonen (Lichtteilchen) beispielsweise sind hervorragend geeignet für die Kommunikation von Quantenzuständen, sie sind schnell und robust – jedoch extrem schwer zu speichern. Atomare Ensembles hingegen sind sehr langlebig und können für die Speicherung von Quantenzuständen verwendet werden. Ihre Präzision und lange Kohärenzzeit bilden die Grundlage moderner Atomuhren. Die Verknüpfung beider Systeme galt lange als eine große Herausforderung.
In "Nature Physics" berichtet das Team von der experimentellen Übertragung eines unbekannten Quantenzustands mit zwischenzeitlicher Speicherung. In der Versuchsanordnung wird mithilfe von Quanten-Teleportation der Zustand eines Photons auf einen atomaren Quantenspeicher übertragen, wo er im atomaren Ensemble für bis zu acht Mikrosekunden gespeichert und anschließend wieder ausgelesen und auf ein Photon übertragen wird. Eine solche Schnittstelle, die die Übertragung von Quantenzuständen von Licht auf Materie und die anschließende Rückübertragung ermöglicht, ohne dabei den Quantencharakter der gespeicherten Information zu zerstören, ist ein wesentlicher Bestandteil künftiger Quanten-Technologie.
Sowohl die Quanten-Teleportation als auch der Quanten-Speicher sind bereits in so genannten "proof-of-principle"-Experimenten nachgewiesen worden. Bei der Quanten-Teleportation wird ein unbekannter Zustand zu einem anderen Ort transferiert, ohne dass im Laufe des Vorgangs jegliche Kenntnis über den Zustand gewonnen wird. Dies ist eines der faszinierenden Beispiele dafür, wie Quanten-Verschränkung für reale Anwendungen verwendet werden kann, die in zahlreichen Quanten-Kommunikations- und -Algorithmen-Protokollen Verwendung finden. Die Implementierung einer Quanten-Teleportation von photonischen Qubits mit integriertem Speicher war jedoch bis heute nicht möglich.
Das besagte Experiment trägt nicht nur zum fundamentalen Verständnis moderner Physik bei sondern ist darüber hinaus ein bedeutender Schritt in Richtung effizienter und skalierbarer Quanten-Netzwerke.
Kontakt:
Yuao Chen
Quo group
Physikalisches Institut der Universität
Philosophenweg 12, 69120 Heidelberg
Tel. 06221/549358
E-Mail: yuao@physi.uni-heidelberg.de
Im beschriebenen Experiment verwenden die Wissenschaftler photonische Qubits als Datenträger; die Quanteninformation ist codiert im Polarisationsfreiheitsgrad der Photonen. Als Quanten-Speicher dient der kollektive Spin-Zustand eines ultrakalten Ensembles von etwa einer Millionen Rubidium-Atomen. Zunächst wird eine Verschränkung zwischen dem Polarisationszustand des Photons und dem Zustand des Quanten-Speichers erzeugt. Diese Atom-Photon-Verschränkung dient als Ressource für die Teleportation eines unbekannten photonischen zu einem atomaren Qubit. Dies geschieht mittels einer so genannten "Bell-Zustands-Messung" zwischen dem zu teleportierenden Photon und dem Photon, das zuvor mit dem atomaren Ensemble verschränkt wurde. Der teleportierte Zustand kann nun im kollektiven Zustand des atomaren Ensembles gespeichert und nach bis zu acht Mikrosekunden erfolgreich wieder ausgelesen werden. Die erfolgreiche Teleportation wird mithilfe der experimentell bestimmten Reinheit des finalen Zustands verifiziert, die größer ist als das klassische Limit von zwei Dritteln.