Verschränkung spielt eine entscheidende Rolle in der Quanteninformationswissenschaft. Es kann in einem Quantencomputer verwendet werden, der zahlreiche mathematische Operationen gleichzeitig ausführen kann. Um einen Quantencomputer effizient zu nutzen, müssen viele verschränkte Teilchen zusammenarbeiten. Sie sind die wesentlichen Elemente für Berechnungen, sogenannte Qubits.
Ein Team von Physikern der Max-Planck-Institut der Quantenoptik in Garching hat diese Aufgabe nun erstmals mit Photonen demonstriert, die von einem einzelnen Atom emittiert werden. Sie könnten in einem optischen Resonator bis zu 14 verschränkte Photonen erzeugen, die gezielt und sehr effizient in bestimmte quantenphysikalische Zustände gebracht werden können. Das neue Verfahren könnte den Bau leistungsfähiger und robuster Quantencomputer ermöglichen und in Zukunft der sicheren Datenübertragung dienen.
Dies ist das erste Mal, dass das Team bis zu 14 generiert verschränkte Photonen definiert und mit hoher Effizienz.
Philip Thomas, Doktorand am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München, sagte: „Der Trick bei diesem Experiment bestand darin, dass wir ein einzelnes Atom verwendet haben, um die Photonen zu emittieren und sie auf ganz bestimmte Weise miteinander zu verweben. Dazu platzierten wir ein Rubidium-Atom im Zentrum eines optischen Resonators – einer Echokammer für elektromagnetische Wellen. Mit Laserlicht einer bestimmten Frequenz ließe sich der Zustand des Atoms präzise adressieren. Mit einem zusätzlichen Steuerpuls lösten die Forscher zudem gezielt die Emission eines Photons aus, das mit dem Quantenzustand des Atoms verschränkt ist.“
„Diesen Vorgang haben wir mehrmals und in vorher festgelegter Weise wiederholt. Dazwischen wurde das Atom auf eine bestimmte Weise manipuliert – im Fachjargon: gedreht. Auf diese Weise war es möglich, eine Kette aus bis zu 14 Lichtteilchen zu erzeugen, die durch die atomaren Rotationen verschränkt und in den gewünschten Zustand gebracht wurden.“
„Nach unserem besten Wissen sind die 14 miteinander verbundenen Lichtteilchen die größte Anzahl verschränkter Photonen, die bisher im Labor erzeugt wurden.“
„Da die Photonenkette aus einem einzigen Atom hervorgegangen ist, konnte sie deterministisch erzeugt werden. Das bedeutet: Im Prinzip liefert jeder Steuerpuls ein Photon mit den gewünschten Eigenschaften. Bisher fand die Verschränkung von Photonen meist in speziellen, nichtlinearen Kristallen statt. Das Manko: Die Lichtteilchen entstehen zufällig und nicht kontrollierbar. Dies begrenzt auch die Anzahl der Teilchen, die in einen kollektiven Zustand gebündelt werden.“
Mit der von den Wissenschaftlern verwendeten Methode lassen sich beliebig viele verschränkte Photonen erzeugen. Es ist auch effizient: Wir haben die Effizienz von fast 50 Prozent durch Messung der erzeugten Photonenkette nachgewiesen.
Thomas sagte, „Das heißt: Nahezu jeder zweite „Knopfdruck“ auf das Rubidium-Atom lieferte ein nutzbares Lichtteilchen – weit mehr, als in bisherigen Experimenten erreicht wurde.“
Direktor Gerhard Rempe sagte: „Alles in allem beseitigen wir mit unserer Arbeit ein langjähriges Hindernis auf dem Weg zur skalierbaren, messbasierten Quantencomputing"
Eine weitere Hürde wollen die Forscher am MPQ aus dem Weg räumen. Für komplexe Computeroperationen wären beispielsweise zwei Atome als Photonenquellen im Resonator erforderlich. Quantenphysikern zufolge gibt es einen zweidimensionalen Clusterzustand.
Philipp Thomas sagte: „Wir arbeiten bereits daran, diese Aufgabe anzugehen.“
Journal Referenz:
- Thomas, P., Ruscio, L., Morin, O. et al. Effiziente Erzeugung verschränkter Multiphotonen-Graphenzustände aus einem einzelnen Atom. Natur 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
