Physikern ist die Quantenverschränkung von mehr als einem Dutzend Photonen auf effiziente und vorher festgelegte Weise gelungen. Diese Errungenschaft legte den Grundstein für einen neuartigen Quantencomputer.

Die Phänomene der Quantenwelt, die so exotisch sind, dass sie aus der Perspektive der allgemeinen Alltagswelt oft unmöglich erscheinen, können dennoch mit aktuellen oder entwickelten Technologien praktisch angewendet werden. Zum Beispiel Quantenverschränkung: die Quantenbeziehungen zwischen Teilchen, die sie auf seltsame Weise aneinander binden, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Dies kann zum Beispiel in Quantencomputern genutzt werden, Maschinen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Computern viele mathematische Operationen gleichzeitig ausführen können. Um Quantencomputer jedoch gewinnbringend einzusetzen, müssen viele quantenverschränkte Teilchen zusammenarbeiten. Nur so wird eine ausreichend große Anzahl an Quantenbits bzw. Qubits erreicht.

Photonen, Lichtteilchen, eignen sich besonders gut als Qubits, weil sie von Natur aus stark und leicht zu manipulieren sind.

Das Team von Philip Thomas vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland hat nun den wichtigen Schritt unternommen, Photonen in technologischen Anwendungen wie dem Quantencomputing wirklich praktisch nutzbar zu machen: Zum ersten Mal erzeugte das Team bis zu 14 Quanten verschränkte Photonen mit vorgegebenem Weg und mit hoher Effizienz.

Der Schlüssel zum Erreichen dieser hochpräzisen Quantenverschränkung auf Abruf besteht darin, dass die Forscher ein einzelnes Atom verwenden, um ein Photon zu emittieren, und das Quant es auf eine ganz bestimmte Weise verschränkt. Dazu platzierten die Forscher ein Rubidium-Atom im Zentrum des optischen Hohlraums, einer Art Echokammer für elektromagnetische Wellen. Mit einem Laserstrahl einer bestimmten Frequenz ist es möglich, gezielt auf atomare Zustände einzuwirken. Mit zusätzlichen Steuerpulsen bewirkten die Forscher zudem gezielt die Emission von Photonen, die mit dem Quantenzustand des Atoms verschränkt sind.

Sie wiederholen diesen Vorgang mehrmals und in einer vorgegebenen Weise. Wohingegen Atome in gewisser Weise manipuliert (im Fachjargon gedreht) werden. Auf diese Weise lassen sich Ketten aus bis zu 14 Lichtteilchen erzeugen, die durch Atomrotation miteinander quantenverschränkt und in den gewünschten Zustand gebracht werden. Nach Ansicht von Thomas und seinen Kollegen ist die Ansammlung von 14 miteinander verbundenen Lichtteilchen die größte Anzahl von quantenverschränkten Photonen, die jemals in einem Labor erzeugt wurde.

Ein einzelnes Rubidiumatom wird in einem optischen Resonator gefangen, der aus zwei hochreflektierenden Spiegeln besteht. Durch die wiederholte Anregung des Atoms werden mehrere einzelne quantenverschränkte Photonen nacheinander emittiert. (Bild: MPQ)

Aber nicht nur die Zahl der verschränkten Photonen ist ein großer Schritt in Richtung leistungsfähiger Quantencomputer, auch ihre Erzeugung unterscheidet sich stark von herkömmlichen Methoden. Bei diesem Verfahren fallen quantenverschränkte Photonen im Wesentlichen zufällig und unkontrolliert aus. Es begrenzt auch die Anzahl der Partikel, die in einem kollektiven Zustand gruppiert werden können. Beim neuen System hingegen sendet jeder Steuerpuls tatsächlich ein Photon mit den gewünschten Eigenschaften aus. Und im Grunde können beliebig viele verschränkte Photonen erzeugt werden.

Außerdem ist diese neue Methode deutlich effizienter als die bisherige.

All dies kann es einfacher machen, einen Quantencomputer zu bauen, der sowohl robust als auch robust genug ist.

Die technischen Details ihres neuen Systems stellten Thomas und seine Kollegen in der Fachzeitschrift Nature mit dem Titel „Efficient generation of entangled state graphs of multiphotons from singleatoms“ vor. (Bilden: NCYT von Amazings)