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Verschränkung auf Distanz gehalten

27.05.2011 - (idw) Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erzielen quantenmechanische Verschränkung von zwei räumlich weit getrennten Quantensystemen. Seit einigen Jahren gibt es konkrete Vorschläge, wie das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung, von Albert Einstein auch als geisterhafte Fernwirkung be-zeichnet, für praktische Anwendungen wie etwa die abhörsichere Datenübertragung genutzt werden kann. Dazu ist es notwendig, die aussschließlich lokal entstehende Ver-schränkung auf weit voneinander entfernte Systeme zu verteilen. Ein Team von Wissen-schaftlern um Prof. Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Leiter der Abteilung Quantendynamik, hat jetzt demonstriert, dass sich zwei räumlich weit getrennte atomare Quantensysteme ein einzelnes, in einem optischen Resonator gefangenes Atom und ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat aus Millionen von ultrakalten Atomen in einen gemeinsamen verschränkten Zustand bringen lassen (Physical Review Letters, Advance Online Publication, 26. Mai 2011). Mit dem so entstandenen Hybrid-System haben die Forscher den Grundbaustein für ein Quan-tennetzwerk realisiert.

Bei dem quantenmechanischen Phänomen der Verschränkung werden zwei Quantenteilchen so miteinander verknüpft, dass ihre Eigenschaften streng miteinander korreliert sind. Dazu müssen die Teilchen direkt miteinander in Kontakt kommen. In einem Quantennetzwerk be-nötigt man jedoch für viele Anwendungen Verschränkung zwischen weit entfernten Knoten (den ruhenden Quantenbits). Um dies zu erreichen können zum Beispiel Lichtteilchen, so-genannte Photonen (die fliegenden Quantenbits) zur Übertragung der Verschränkung ge-nutzt werden. Schon in der klassischen Telekommunikation werden Daten heutzutage mit Licht zwischen Rechnern oder Telefonen übermittelt. Im Fall eines Quantennetzwerkes ist dies jedoch ungleich schwieriger, da verschränkte Quantenzustände äußerst zerbrechlich sind und nur bestehen bleiben, wenn die beiden Teilchen perfekt von ihrer Umgebung isoliert sind.
Diese Hürde haben die Garchinger Physiker jetzt genommen, indem sie zwei unterschiedliche, in verschiedenen Laborräumen befindliche atomare Quantensysteme in einen verschränkten Zustand brachten: auf der einen Seite ein einzelnes Rubidiumatom, das in einem aus zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildeten Resonator gefangen ist, auf der anderen Seite ein Ensemble aus Millionen extrem kalten Rubidiumatomen, die ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bilden. Im BEC besitzen alle Teilchen die gleichen Quanteneigenschaften, sind ununterscheidbar und verhalten sich gemeinsam wie ein einziges großes Superatom.

Zunächst wird das einzelne Atom im optischen Resonator mit einem Laserpuls zum Aussen-den eines Photons angeregt. Dabei werden innere Freiheitsgrade des Atoms so mit der Polari-sation des Photons verknüpft, dass beide Teilchen miteinander verschränkt sind. Über ein 30 Meter langes Glasfaserkabel wird das Photon in ein benachbartes Labor überführt und dort auf das BEC gelenkt. Hier wird es absorbiert und in Form einer kollektiven Anregung aller Atome des BECs gespeichert. Der Austausch von Quanteninformation zwischen Photonen und atomaren Quantensystemen erfordert eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung, erklärt Matthias Lettner, Doktorand am Experiment. Während wir dies beim einzelnen Atom durch die Vielfachreflexionen zwischen den beiden Spiegeln des Resonators erreichen, wird die Licht-Materie-Wechselwirkung beim BEC durch die große Zahl an Atomen verstärkt.

Dass Einzelatom und BEC durch die Übertragung des Photons wirklich miteinander ver-schränkt sind, weisen die Physiker in einem weiteren Schritt nach. Dazu wird mithilfe eines Laserpulses das im BEC absorbierte Photon wieder freigesetzt und der Zustand des Einzel-atoms durch die Erzeugung eines zweiten Photons ausgelesen. Aus der Verschränkung der beiden Photonen mit 95% des maximal möglichen Wertes lässt sich schließen, dass die Ver-schränkung der beiden atomaren Quantensysteme mindestens ebenso gut ist. Des Weiteren besteht die Verschränkung rund 100 Mikrosekunden lang. Das ist hundert Mal länger als der Übertragungsprozess dauert.

Die gute Eignung eines BEC als Quantenspeicher hängt auch damit zusammen, dass in die-sem exotischen Quantenzustand keine Störungen durch Wärmebewegung auftreten, betont Matthias Lettner. Dies ermöglicht es, Quanteninformation mit hoher Effizienz abzuspeichern und auszulesen sowie über lange Zeiten zu erhalten.

Das Team von Prof. Rempe hat in diesem Experiment den Grundbaustein eines Quantennetz-werks aus zwei weit entfernten, miteinander verschränkten Knoten realisiert. Dies ist ein Mei-lenstein auf dem Weg zu ausgedehnten Quantennetzwerken, in denen z.B. Information abso-lut abhörsicher übertragen werden kann. Aber auch universelle Quantencomputer, in denen Quantenbits mit Photonen zwischen den Knoten ausgetauscht und dort gespeichert und verar-beitet werden, lassen sich mit solchen Netzwerken verwirklichen.

Originalveröffentlichung:

M. Lettner, M. Mücke, S. Riedl, C. Vo, C. Hahn, S. Baur, J. Bochmann, S. Ritter, S. Dürr, and G. Rempe
Remote Entanglement between a Single Atom and a Bose-Einstein Condensate

Physical Review Letters, Advance Online Publication, 26. Mai 2011

Kontakt:

Prof. Dr. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 89 32905 - 701
Fax: +49 89 32905 - 311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Matthias Lettner
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 89 32905 - 245
E-Mail: matthias.lettner@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel: +49 89 32905 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de
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