In der Forschung, die ein entscheidender Schritt in Richtung einer realen Quantenkommunikation sein könnte - der Übertragung von Informationen mithilfe von Atomen, Photonen oder anderen Quantenobjekten - haben die Forscher ein Experiment erstellt, bei dem ein Quantenbit von Informationen über eine Entfernung von sieben Metern und kurz transportiert wird im Speicher gespeichert. Dies ist das erste Mal, dass sowohl Quantenspeicher als auch Teleportation, wie die Informationsübertragung genannt wird, in einem einzigen Experiment demonstriert wurden.

Das Experiment wurde von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg in Deutschland, der Universität für Wissenschaft und Technologie in China und dem Atominstitut der österreichischen Universitäten in Österreich durchgeführt. Die Arbeit wurde von Prof. Jian-Wei Pan, einem Physiker an der Universität Heidelberg, geleitet.

Ein Quantenbit oder Qubit ist die grundlegendste Einheit der Quanteninformation. Es hat die Form einer bestimmten Konfiguration oder eines „Zustands“ eines Atoms oder Photons. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Computerbit, der grundlegendsten Information, die ein Computer speichern kann, stellen Qubits die Überlagerung von „0“ und „1“ dar und nicht eine 0 oder 1. Außerdem kann ein Qubit nicht im herkömmlichen Sinne kopiert werden. Es kann nur übertragen werden, ohne eine Spur des Originals zu hinterlassen.

Quantenteleportation ist der Weg, einen unbekannten Quantenzustand an einen entfernten Ort zu übertragen, ohne dabei Informationen über den Zustand zu erhalten. Wenn ein Qubit über eine Distanz teleportiert wird, ist der Prozess insofern bemerkenswert, als das sendende und das empfangende Qubit in keiner Weise physisch miteinander verbunden sind und die Existenz des jeweils anderen nicht „kennen“. Durch ein Quantenphänomen namens Verschränkung ist ein Qubit jedoch in der Lage, den Quantenzustand eines anderen anzunehmen, ohne physikalisch damit zu interagieren.

In der vorliegenden Studie, die in der Online-Ausgabe von Nature Physics vom 20. Januar beschrieben wird, wird ein unbekannter Quantenzustand eines photonischen Qubits per Teleportation in den Quantenspeicher übertragen und von zwei Rubidiumatom-Clustern gespeichert. Jeder Cluster enthält ungefähr eine Million Atome, die von einer magnetooptischen Falle gesammelt werden. Das teleportierte photonische Qubit kann gespeichert und bis zu acht Mikrosekunden (Millionstel Sekunden) ausgelesen werden, bevor der Zustand verloren geht.

"Eine solche Schnittstelle, um die Quantenzustände von Photonen auf die Quantenzustände von Materie abzubilden und sie abzurufen, ohne den Quantencharakter der gespeicherten Informationen zu zerstören, ist ein wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantentechnologien", sagte Pan zu PhysOrg.com . "Es ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer effizienten und skalierbaren Verbindung von Quantennetzwerken."

Die Quantenzustände, die von den photonischen Qubits getragen werden, werden in der Polarisation der Photonen oder der Ausrichtung der von den Photonen emittierten elektrischen Felder codiert. Jeder Rubidiumcluster kodiert die Informationen als kollektiven Spinzustand über alle Elektronen im Cluster. Wie andere unveränderliche Eigenschaften wie Masse und Ladung ist Spin oder Drehimpuls ein wesentliches Merkmal eines Elektrons.

Zunächst verwickelte die Arbeitsgruppe den Polarisationszustand der Photonen und den Spinzustand der Atomcluster. Diese Verschränkung wird dann ausgenutzt, um den unbekannten Zustand eines einzelnen photonischen Qubits auf ein sieben Meter entferntes atomares Qubit zu teleportieren. Dies geschieht durch gleichzeitige Messung der verschränkten Photonen und des zu teleportierenden Photons. Bei dieser Messung werden die beiden Photonen verschränkt und der Zustand des zweiten Photons auf die Atomcluster projiziert.

Dieses Setup weist einige schwerwiegende Probleme auf. Die Quantenspeicherdauer ist sehr kurz und die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon teleportiert wird, ist gering. Daher sagen die Forscher, dass "signifikante Verbesserungen" vorgenommen werden müssen, bevor das Schema in praktischen Anwendungen eingesetzt werden kann.

Zitat: Yu-Ao Chen, Shuai Chen, Bo Zhao, Zhen-Sheng Yuan, Chih-Sung Chuu, Jörg Schmiedmayer und Jian-Wei Pan Nature Physics bringen die Online-Veröffentlichung am 20. Januar 2008 voran (DOI: 10.1038 / nphys832).

Copyright 2008 PhysOrg.com.
Alle Rechte vorbehalten. Dieses Material darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung von PhysOrg.com weder ganz noch teilweise veröffentlicht, gesendet, umgeschrieben oder weiterverbreitet werden.