Einzelnes Atom als Datenspeicher

Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben Quanteninformationen eines Photons auf ein einzelnes Rubidiumatom übertragen, dort gespeichert und wieder ausgelesen

Garching - Noch sind Quantencomputer für den praktischen Nutzen eine Fiktion. Jedoch werden Informationen bereits in einzelnen Lichtteilchen, den Photonen, kodiert und lassen sich so transportieren. Forschern um Gerhard Rempe des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ist es erstmals gelungen, die Quanteninformation eines Photons auf ein einzelnes Atom zu übertragen, sie eine gewisse Zeit dort zu speichern und anschließend wieder auszulesen. Bisher hatten Wissenschaftler nur Quanteninformationen eines Photons auf ein Ensemble aus mehreren tausend Teilchen übertragen können. Die Möglichkeit, Informationen direkt zwischen einzelnen Quantenteilchen aus Licht und Materie auszutauschen, die sich gezielt manipulieren lassen, könnte die Realisierung eines Quantencomputers erleichtern.

In einem optischen Resonator hielten die Forscher das Atom mit Laserstrahlen gefangen und ließen es mit einem Photon wechselwirken, das die Quanteninformation enthielt. Während in gewöhnlichen Computern Informationen in Bits gespeichert werden, denen ein eindeutiger Wert von 0 oder 1 zugeschrieben ist, nutzen Quantencomputer das quantenmechanische Prinzip der Superposition aus. Dabei wird eine Information in sogenannten Qubits, Überlagerungen aus zwei Werten, gespeichert. Das Photon befindet sich dann in einem kohärenten Überlagerungszustand aus zwei Polarisationszuständen, zum Beispiel rechts- und linkszirkularer Polarisation.

Innerhalb des Resonators läuft das Photon an zwei hochreflektierenden Spiegeln zwanzigtausendmal hin und her und erhöht dadurch die Stärke der Wechselwirkung. Mit einem Steuerlaser übertrugen die Physiker die Daten der optischen Quanteninformation auf das Atom. Das Atom geht dann in einen Zustand über, der aus einer kohärenten Überlagerung aus zwei Zuständen besteht. Die relativen Anteile der beiden Unterzustände entsprechen dabei den jeweiligen Anteilen der beiden Polarisationszustände des Eingangsphotons.

Auf diese Weise speicherten die Physiker die Informationen im Rubidiumatom für ungefähr 180 Millisekunden. Dieser Wert ist vergleichbar mit denen von Quantenspeichern, die aus atomaren Ensembles bestehen. Um die Quanteninformation wieder auszulesen, erfolgt der Prozess in umgekehrter Reihenfolge und man erhält ein Ausgangsphoton mit den Polarisationseigenschaften des Eingangsphotons. Die Übereinstimmung betrug bei den Experimenten von Rempe und seinen Kollegen über 90 Prozent.

Ein Netz aus solchen miteinander kommunizierenden Quantenspeichern könnte die Grundlage für einen Quantencomputer sein. Allerdings muss dazu die Speicherdauer und die Effizienz der gespeicherten Information noch deutlich erhöht werden. Die Effizienz liegt momentan bei knapp 10 Prozent und gibt an, wie viele der Photonen gespeichert und anschließend wieder ausgelesen werden.