Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einzelne Lichtquanten führen logische Operationen aus

04.05.2016

MPQ-Wissenschaftler nehmen eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem logischen Quantengatter für Photonen

Weltweit arbeiten Wissenschaftler an Konzepten für zukünftige Quantencomputer und an deren experimenteller Realisierung. Der typische „Standard-Quantencomputer“ soll nach gängigen Vorstellungen auf einem System von vernetzten Quantenteilchen basieren, die der Speicherung, Kodierung und Verarbeitung von Quanteninformation dienen.


Eine Wolke von kalten Atomen wird mit rotem Signallicht und blauem Kopplungslicht beleuchtet. Die Lichtpulse werden auf dichroitischen Spiegeln (DM) überlagert. Mit Wellenplatten (WP), einem polarisierenden Strahlteiler (PBS), und Avalanche-Photodiode (APD) wird die Polarisation des transmittierten Signallichts bestimmt.

MPQ, Abteilung Quantendynamik

Zentrales Bauelement wäre auch hier, analog zu einem klassischen Computer, ein Quantengatter, das Eingangssignalen eindeutig bestimmte Ausgangssignale zuordnet. Ein Team um Dr. Stephan Dürr aus der Abteilung Quantendynamik von Prof. Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat jetzt in einem Experiment gezeigt, wie sich eine wichtige Gatterfunktion – die Vertauschung der binären Bit-Werte „0“ und „1“ – mit einzelnen Lichtquanten realisieren lässt.

Dabei wird zunächst ein Lichtpuls aus einem einzigen Photon in einer ultrakalten Wolke aus rund 100 000 Rubidiumatomen als Anregung gespeichert. Dies bewirkt, dass ein nachfolgender Lichtpuls beim Durchlaufen der atomaren Wolke eine Phasenverschiebung von 180 Grad erhält (Science Advances, 29. April 2016).

„Photonen eignen sich hervorragend für die Übertragung von Quanteninformation, weil sie mit ihrer Umgebung kaum in Wechselwirkung treten und daher leicht über große Entfernungen übertragen werden können“, erklärt Dr. Stephan Dürr, der Leiter des Projektes. „Aus diesem Grund arbeiten wir an der Entwicklung von Photon-Photon-Quantengattern, bei denen einzelne Lichtpulse einlaufende photonische Qubits determiniert verändern können.“

Bei der Verarbeitung von Daten haben logische Gatter die Aufgabe, eine Wahrheitstabelle umzusetzen, die jeder Bit-Kombination eines Eingangssignals eindeutig Ausgangssignale zuordnet. Dabei kann z.B. der Wert 0 in 1 umgewandelt werden bzw. umgekehrt. Bei einem Photon-Photon-Quantengatter entspricht das dem Vorgang, dass ein einzelnes Photon ein zweites einzelnes Photon gezielt manipuliert. Diese Wechselwirkung kann nur durch Materie vermittelt werden. Allerdings war es bisher nicht gelungen, ein physikalisches System zu finden, in dem diese Wechselwirkung hinreichend stark ist.

In dem vorliegenden Experiment wird eine Wolke aus rund 100 000 Rubidiumatomen auf 0,5 Mikrokelvin gekühlt (Null Kelvin entspricht dem absoluten Nullpunkt der Temperaturskala) und in einer aus mehreren Lichtfeldern gebildeten Dipolfalle gefangen gehalten. Diese atomare Wolke wird mit drei schnell aufeinander folgenden Lichtpulsen bestrahlt. Der erste sogenannte Kontroll-Puls entscheidet darüber, ob der zweite Target-Puls beim Durchgang durch das atomare Gas signifikant verändert wird, d.h., ob die Gatterfunktion ein- oder ausgeschaltet ist. Mit einem dritten Puls wird eine gegebenenfalls gespeicherte Anregung wieder ausgelesen.

Der Trick dabei ist, dass die Lichtpulse zwei Komponenten enthalten. Zum einen das extrem schwache rote Signallicht, dessen Wellenlänge von 780 nm nah-resonant zu einem bestimmten atomaren Übergang ist. Ein Lichtpuls ist dabei so schwach, dass er im Mittel etwa ein Photon enthält. Ohne weitere Maßnahmen würde er die Wolke durchlaufen und dabei eine gewisse Phasenverschiebung erfahren. Erst die Zumischung von relativ intensivem blauen „Kopplungslicht“ mit einer Wellenlänge von 480 nm macht es möglich, das Photon aus dem Signalpuls kontrolliert und reversibel abzuspeichern. Dabei wird ein Atom in der Wolke in einen hochangeregten Rydberg-Zustand überführt, bei dem ein Elektron extrem weit vom Atomkern entfernt ist.

Anschließend werden die Atome mit einem Target-Puls beleuchtet, der ebenfalls sowohl Signallicht als auch Kopplungslicht enthält. Da die Rydberg-Anregung mit anderen Atomen in der Wolke eine weitreichende van-der-Waals-Wechselwirkung hat, verschieben sich gewisse atomare Energieniveaus in der Wolke und sind somit in Bezug auf die Energie des Target-Pulses stärker verstimmt, als wenn vorher kein Kontrollpuls abgespeichert worden wäre.

Aufgrund dieser Verstimmung erfährt der Target-Puls beim Durchgang durch die Atomwolke eine Phasenverschiebung, die sich um 180 Grad von der Phasenverschiebung ohne vorheriges Abspeichern eines Kontrollpulses unterscheidet. „Diese durch die van-der-Waals-Wechselwirkung erzeugte zusätzliche Phasenverschiebung ist der springende Punkt. Denn damit können Quantenzustände generiert werden, die zueinander orthogonal sind, was einem Übergang eines Bit-Wertes von 0 nach 1 entspricht“, führt Dr. Dürr aus. Anschließend wird durch erneute Beleuchtung der Atomwolke, diesmal nur mit Kopplungslicht, das ursprünglich abgespeicherte Signalphoton wieder ausgelesen.

In einer Reihe von Messungen bestimmten die Wissenschaftler mit Hilfe von Wellenplatten und einem polarisierenden Strahlteiler die Polarisation der beiden roten Signalphotonen nach Durchlaufen der atomaren Wolke. Damit wiesen sie nach, dass der Lichtpuls eine zusätzliche Phasenverschiebung von 180 Grad erhalten hatte, wenn der Signallaser während des Kontrollpulses eingeschaltet war. Der ganze Zyklus – vom Speichern des Kontrollpulses über die Propagation des Target-Pulses bis zum Auslesen des Kontrollpulses – dauert dabei insgesamt nur wenige Mikrosekunden.

„Wir konnten zeigen, dass wir mit Hilfe nur eines Kontrollphotons die Polarisationsebene des photonischen Qubits im Target-Puls drehen können“, erläutert Dr. Dürr. „Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung von Quantengattern. Aber Quantengatter müssen darüber hinaus die Möglichkeit bieten, aus zwei getrennten Anfangszuständen einen verschränkten Endzustand zu erzeugen. Um das zu erreichen, haben wir weiterführende Experimente geplant.“ Olivia Meyer-Streng


Originalveröffentlichung:

Daniel Tiarks, Steffen Schmidt, Gerhard Rempe, Stephan Dürr
Optical Pi Phase Shift Created with a Single-Photon Pulse
Science Advances, 29. April 2016

Kontakt:

Dr. Stephan Dürr
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 291
E-Mail: stefan.duerr@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Gerhard Rempe
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 701
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kosmische Schlange
20.11.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht InSight: Touchdown auf dem Mars
19.11.2018 | Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Für eine neue Generation organischer Leuchtdioden: Uni Bayreuth koordiniert EU-Forschungsnetzwerk

20.11.2018 | Förderungen Preise

Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie sich ein Kristall in Wasser löst

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics