Verschränkte Ionen stellen Langstreckenrekord auf – Physics World

Die Verwendung von Licht und optischen Fasern zum Senden von Informationen von Punkt A nach B ist heute eine gängige Praxis, aber was wäre, wenn wir die Schritte „Senden und Tragen“ vollständig überspringen und Informationen einfach sofort lesen könnten? Dank der Quantenverschränkung ist diese Idee keine Fiktion mehr, sondern Gegenstand laufender Forschung. Durch die Verschränkung zweier Quantenteilchen wie Ionen können Wissenschaftler sie in einen fragilen Verbundzustand versetzen, in dem die Messung eines Teilchens Informationen über das andere auf eine Weise liefert, die klassisch unmöglich wäre.

Forscher der Universität Innsbruck, Österreich, haben diesen kniffligen Verschränkungsprozess nun an zwei Kalziumionen durchgeführt, die in optischen Hohlräumen im Abstand von 230 m – das entspricht etwa zwei Fußballfeldern – eingefangen und über eine 520 m lange optische Faser verbunden sind. Diese Trennung stellt einen Rekord für eingefangene Ionen dar und stellt einen Meilenstein für Quantenkommunikations- und Rechensysteme dar, die auf diesen Quantenteilchen basieren.

Auf dem Weg zu einem Quantennetzwerk

Quantennetzwerke sind das Rückgrat von Quantenkommunikationssystemen. Zu ihren Reizen gehört, dass sie die Welt mit beispielloser Rechenleistung und Sicherheit verbinden und gleichzeitig die Präzisionserfassung und Zeitmessung für Anwendungen von der Messtechnik bis zur Navigation verbessern könnten. Solche Quantennetzwerke würden aus Quantencomputern – den Knoten – bestehen, die durch den Austausch von Photonen verbunden sind. Dieser Austausch kann im freien Raum stattfinden, ähnlich wie Licht durch den Weltraum von der Sonne zu unseren Augen wandert. Alternativ können die Photonen über optische Fasern gesendet werden, ähnlich denen, die zur Datenübertragung für Internet-, Fernseh- und Telefondienste verwendet werden.

Quantencomputer auf Basis gefangener Ionen bieten aus zwei Gründen eine vielversprechende Plattform für Quantennetzwerke und Quantenkommunikation. Zum einen sind ihre Quantenzustände relativ einfach zu kontrollieren. Das andere ist, dass diese Zustände robust gegenüber externen Störungen sind, die die zwischen und an den Knoten übertragenen Informationen stören können.

Eingeschlossene Kalziumionen

In der neuesten Arbeit haben Forschungsteams unter der Leitung von Tracy Northup und Ben Lanyon In Innsbruck wurden Kalziumionen in Paul-Fallen eingefangen – eine elektrische Feldkonfiguration, die eine Kraft auf das Ion erzeugt und es im Zentrum der Falle festhält. Calciumionen bestechen durch ihre einfache elektronische Struktur und ihre Robustheit gegenüber Rauschen. „Sie sind mit der für Quantennetzwerke benötigten Technologie kompatibel; Außerdem lassen sie sich leicht einfangen und kühlen und eignen sich daher für skalierbare Quantennetzwerke“, erklärt Maria Galli, ein Doktorand in Innsbruck, der an der Arbeit beteiligt war, die in beschrieben wird Physical Review Letters.

Die Forscher begannen damit, jeweils ein einzelnes gefangenes Ion in zwei separate optische Hohlräume zu platzieren. Bei diesen Hohlräumen handelt es sich um Räume zwischen Spiegelpaaren, die eine präzise Steuerung und Abstimmung der Lichtfrequenz ermöglichen, die zwischen ihnen reflektiert wird (siehe Bild oben). Diese strenge Kontrolle ist entscheidend für die Verknüpfung oder Verschränkung der Informationen des Ions mit denen des Photons.

Nachdem die Forscher das Ionen-Photonen-System an jedem der beiden Hohlräume – den Knoten des Netzwerks – verschränkt hatten, führten sie eine Messung durch, um das verschränkte System zu charakterisieren. Während die Messung die Verschränkung zerstört, mussten die Forscher diesen Vorgang mehrmals wiederholen, um diesen Schritt zu optimieren. Die Photonen, die jeweils mit einem der Kalziumionen verschränkt sind, werden dann durch die Glasfaser übertragen, die die beiden Knoten verbindet, die sich in separaten Gebäuden befinden.

Informationen austauschen

Während die Forscher die Photonen im freien Raum hätten übertragen können, wäre dies aufgrund mehrerer Rauschquellen mit der Gefahr verbunden gewesen, dass die Ionen-Photonen-Verschränkung gestört würde. Im Gegensatz dazu sind optische Fasern verlustarm, außerdem schirmen sie die Photonen ab und bewahren ihre Polarisation, was eine längere Trennung zwischen den Knoten ermöglicht. Allerdings sind sie nicht ideal. „Wir haben einige Verschiebungen in der Polarisation beobachtet. Aus diesem Grund würden wir alle 20 Minuten die Polarisationsdrehung der Faser charakterisieren und korrigieren.“ sagt Galli.

Die beiden Photonen tauschen die Informationen ihrer jeweiligen Ionen-Photonen-Systeme durch einen Prozess aus, der als Photonen-Bell-Zustandsmessung (PBSM) bekannt ist. Bei dieser zustandsselektiven Detektionstechnik überlappen sich die Wellenfunktionen der Photonen, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, das mit vier Fotodetektoren gemessen werden kann.

Durch das Auslesen der gemessenen Signale auf den Fotodetektoren können die Forscher erkennen, ob die von den Photonen getragene Information – ihr Polarisationszustand – identisch ist oder nicht. Übereinstimmende Ergebnispaare (entweder horizontale oder vertikale Polarisationszustände) kündigen folglich die Entstehung einer Verschränkung zwischen den entfernten Ionen an.

Kompromisse für eine erfolgreiche Verflechtung

Die Forscher mussten mehrere Faktoren ausbalancieren, um eine Verschränkung zwischen den Ionen zu erzeugen. Das eine ist das Zeitfenster, in dem sie die abschließende gemeinsame Messung der Photonen durchführen. Je länger dieses Zeitfenster ist, desto größer ist die Chance der Forscher, Photonen nachzuweisen – der Nachteil ist jedoch, dass die Ionen weniger verschränkt sind. Dies liegt daran, dass sie darauf abzielen, Photonen einzufangen, die zur gleichen Zeit eintreffen. Ein längeres Zeitfenster könnte dazu führen, dass sie Photonen erkennen, die tatsächlich zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen.

Das Drei-Knoten-Quantennetzwerk feiert sein Debüt

Die Forscher mussten daher sorgfältig prüfen, wie viel Verschränkung sie in einem bestimmten Zeitfenster erreichen konnten. Innerhalb eines Zeitfensters von einer Mikrosekunde wiederholten sie das Experiment mehr als 1 Millionen Mal und erzeugten 13 Erkennungsereignisse. Anschließend maßen sie den Zustand der Ionen an jedem Knoten unabhängig voneinander, um die Korrelation zu überprüfen, die bei 555 % lag. „Unser letzter Messschritt besteht tatsächlich darin, den Zustand beider Ionen zu messen, um zu überprüfen, ob die erwartete Zustandskorrelation vorhanden ist“, sagt Galli. „Dies bestätigt, dass es uns gelungen ist, eine Verschränkung zwischen den beiden Ionen herzustellen.“

Vom Sprint bis zum Marathon

Zwei Fußballfelder mögen wie eine große Distanz erscheinen, über die man einen prekären quantenverschränkten Zustand schaffen kann, aber das Innsbrucker Team hat größere Pläne. Durch Änderungen wie die Erhöhung der Wellenlänge der Photonen, die zur Informationsübertragung zwischen den Ionen verwendet werden, hoffen die Forscher, eine viel größere Distanz von 50 km zurückzulegen – länger als ein Marathon.

Während andere Forschungsgruppen zuvor mit neutralen Atomen eine Verschränkung über noch größere Entfernungen nachgewiesen haben, haben ionenbasierte Plattformen bestimmte Vorteile. Galli stellt fest, dass die Genauigkeit von Quantengattern, die mit eingefangenen Ionen durchgeführt werden, besser ist als die von Quantengattern, die mit Atomen durchgeführt werden, hauptsächlich weil die Wechselwirkungen zwischen Ionen stärker und stabiler sind als Wechselwirkungen zwischen Atomen und die Kohärenzzeit von Ionen viel länger ist.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/