Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Interface für Quantencomputer

22.06.2007
Ein Netz aus verteilten, miteinander kommunizierenden Quantenspeichern - so könnte der Quantencomputer der Zukunft aussehen. Einem Team um Prof. Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ist es nun gelungen, einen essentiellen Baustein eines solchen Rechners zu realisieren.

Wie die Wissenschaftler Tatjana Wilk, Simon Webster, Axel Kuhn und Gerhard Rempe in der Zeitschrift Science (Science Express vom 21. Juni 2007) berichten, konnten sie erstmals den Quantenzustand eines einzelnen Atoms auf ein einzelnes Lichtquant, auch Photon genannt, übertragen. Kernstück dieser Einzel-Atom-Einzel-Photon-Schnittstelle ist ein optischer Resonator, der ein einzelnes Rubidiumatom enthält.

Im ersten Schritt wird ein angeregtes Atom mit dem Photon, das es in den Resonator emittiert, quantenmechanisch verschränkt. Nach erneuter Anregung sendet das Atom ein zweites Photon aus und überträgt darauf seinen Quantenzustand. Da nun die Verschränkung zwischen den beiden emittierten Photonen besteht, lässt sich der Erfolg des Übertragungsprozesses durch die Messung der Eigenschaften der beiden korrelierten Photonen belegen. Die damit realisierte Schnittstelle zwischen einem stationären Quantenspeicher (dem Atom) und einem "fliegenden" Medium (dem Lichtquant) als Überbringer der Botschaft ist eine wichtige Voraussetzung, um skalierbare Quantencomputer zu verwirklichen.

Seit einigen Jahren gibt es verschiedene Quantenysteme, die elementare Quantenrechnungen erfolgreich ausführen können. Bislang bestehen sie aber nur aus einigen wenigen Quantenbits (Qubits) wie Atomen oder Ionen, die in der Quantenwelt die Aufgaben der klassischen Bits übernehmen, und sind von ihrer Struktur her nicht auf Systeme mit sehr vielen Qubits zu erweitern. Eine Idee für einen "skalierbaren" Quantenrechner ist zum Beispiel ein Netz aus vielen kleinen Rechen- oder Speichereinheiten, die miteinander kommunizieren. Die Speichereinheiten können dabei von einzelnen Atomen dargestellt werden, in deren internen Zustand ein Qubit kodiert werden kann. Wird dieser Zustand auf ein Photon übertragen, z. B. in dessen Polarisationszustand geschrieben, dann kann es diese Information über weite Distanzen übertragen.

Die MPQ-Physiker realisieren eine solche Schnittstelle zwischen einzelnen Atomen und Lichtquanten mit einem von zwei hoch reflektierenden Spiegeln gebildeten optischen Resonator. Darin regen sie einzelne Rubidiumatome mit Laserpulsen zum Leuchten an. Die speziellen Eigenschaften des Resonators bringen das Atom dazu, nur Photonen einer bestimmten Frequenz in eine genau definierte Richtung zu emittieren. Mit einem Atom im freien Raum ist dies nicht zu bewerkstelligen.

Das Atom hat bei der Emission des Photons zwei Möglichkeiten: es sendet entweder ein rechts-zirkular oder links-zirkular polarisiertes Photon aus. Aufgrund der Erhaltung des Gesamtdrehimpulses rotiert das zurückbleibende Atom jeweils in die Gegenrichtung, d.h. sein Spin zeigt entsprechend nach oben "UP" bzw. nach unten "DOWN". Wie es für Quantensysteme typisch ist, entscheidet sich das Atom nicht für eine der beiden Möglichkeiten, sondern schlägt beide Wege gleichzeitig ein und befindet sich dann in einem "Superpositionszustand", in dem sich beide Möglichkeiten überlagern. Die Eigenschaften des Atoms und des Photons bleiben dabei korreliert, d.h. eng miteinander verknüpft. Die beiden Teilchen befinden sich also in einer quantenmechanischen "Verschränkung". Nun soll gezeigt werden, dass sich der Quantenzustand des Atoms zuverlässig auf ein zweites Photon übertragen lässt. In einem nächsten Schritt wird deshalb das Atom mit Hilfe eines zweiten Laserpulses zur Aussendung eines zweiten Photons stimuliert. Dabei geht nun der atomare Zustand "UP" in ein links-zirkular polarisiertes Photon über, der Zustand "DOWN" in ein rechts-zirkular polarisiertes. Alle Eigenschaften des gewissermaßen zweideutigen atomaren Zustandes werden dabei auf die Polarisation des zweiten Photons übertragen, so dass die Verschränkung, die zuerst zwischen dem Atom und dem erstem Photon bestand, nun auf die beiden nacheinander emittierten Photonen übertragen worden ist. Einer Reihe von Messungen hat gezeigt, dass die Polarisationszustände beider Photonen stets verschränkt sind. Dies bedeutet, dass sowohl die Atom-Photon Verschränkung bei der ersten Photoemission mit hoher Zuverlässigkeit funktioniert, als auch dass die Schnittstelle zwischen Atom und Photon die Quanteninformation des Atoms vollständig auf das zweite Photon überträgt.

"Mit den einzelnen Atomen und einzelnen Photonen steht nun erstmals eine Schnittstelle zwischen einem digitalen Speicher und einem digitalen Überträger von Quanteninformationen zur Verfügung", betont Prof. Gerhard Rempe. "In einem nächsten Schritt planen wir, Photonen aus zwei Atom-Resonator-Systemen zur Überlagerung zu bringen und dadurch zwei entfernte Quantenspeicher miteinander zu verschränken. Damit erhielten wir ein erstes, wenn auch noch kleines Quantennetzwerk." [T.W. / O.M.]

Originalarbeit:
Tatjana Wilk, Simon C. Webster, Axel Kuhn and Gerhard Rempe
Single-Atom Single-Photon Quantum Interface
(Science Express vom 21. Juni 2007)
Kontakt:
Prof. Dr. Gerhard Rempe
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 701
Fax: +49 - 89 / 32905 - 311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Dipl. Phys. Tatjana Wilk
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 333
Fax: +49 - 89 / 32905 - 395
E-Mail: tatjana.wilk@mpq.mpg.de
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Presse & Kommunikation
Dr. Olivia Meyer-Streng
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Berichte zu: Atom Photon Quantencomputer Resonator Schnittstelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Der Form eine Funktion verleihen
23.06.2017 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Zukunftstechnologie 3D-Druck: Raubkopien mit sicherem Lizenzmanagement verhindern
23.06.2017 | Universität Ulm

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften