Das Internet von morgen könnte aus einzelnen Atomen bestehen, die
Lichtquanten austauschen. Forscher aus Garching haben nun die Möglichkeiten
eines einfachen Quantennetzwerks ausgelotet.
Von Manfred Lindinger
Ob Twitter, Facebook oder E-Mail - ohne ausgeklügelte Netzwerke und
leistungsfähige Computer wäre die Kommunikation im Internetzeitalter nicht
denkbar. Riesige Datenpakete rasen weltweit nahezu mit Lichtgeschwindigkeit von
einem Server zum nächsten. Während Techniker und Ingenieure die digitalen Netze
weiter verbessern, um noch mehr Datenpakete noch schneller zwischen den
einzelnen Knoten hin und her schaufeln zu können, brüten viele Wissenschaftler
längst über das Design von Netzwerken der Zukunft. Darin werden nicht mehr
digitale Botschaften übermittelt, sondern Quanteninformationen, die etwa in den
Zuständen von Photonen oder Atomen kodiert sind. Ein solches Quantenweb könnte
viele Anwendungen ermöglichen, die mit klassischen Netzwerktechnologien nicht zu
verwirklichen sind, etwa die absolut abhörsichere Datenübertragung, auch
Quantenkryptographie genannt, oder die Simulation von großen Molekülen und
anderen komplexen physikalischen Vielteilchen-Systemen. Auch künftige
Quantencomputer ließen sich ähnlich wie ihre klassischen Pendants auf diese
Weise zu größeren, noch leistungsfähigeren Recheneinheiten vernetzen.
Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut in Garching bei München haben nun ein
Konzept für ein elementares Quantennetzwerk ersonnen, das sich beliebig
erweitern lässt.
Wie klassische Netze erfordern auch funktionierende Quantennetzwerke stationäre
Knoten, zwischen denen der Datenaustausch erfolgt. Allerdings sind
Quanteninformationen anders als klassische Daten äußerst fragil. Schon beim
kleinsten Fehler und der geringsten Störung werden die Quantenzustände zerstört
und gehen dadurch unwiederbringlich verloren. Ein Kopieren ist nicht möglich.
Die Signale müssen zudem unterwegs aufgefrischt und verstärkt werden, damit sie
nicht bei der Übertragung an Informationsgehalt verlieren.
Trotz dieser Hürden ist es einigen Forschergruppen gelungen, Quantenbits, wie
man die quantenmechanischen Informationseinheiten bezeichnet, unbeschadet
zwischen zwei Knoten zu übertragen, die mehrere Meter entfernt waren. Die
Physiker vom Georgia Institute of Technology in Atlanta zum Beispiel schickten
unlängst einzelne polarisierte Photonen zwischen zwei Wolken aus extrem kalten
Rubidiumatomen mehrere Male hin und her. Ein Lichtleiter diente als
Transportmedium. Die Lichtteilchen übertrugen den Quantenzustand einer zuvor
angeregten Atomwolke auf die andere Wolke, die sich im Grundzustand befand.
Letztere speicherte die Quanteninformation für einen kurzen Augenblick und
emittierte danach ihrerseits ein polarisiertes Photon, das zurück zum ersten
Atom-Ensemble flog, das es absorbierte. Quanteninformationen konnten auf diese
Weise mehrmals ungestört ausgetauscht werden.
Dass man sogar einzelne Atome als Netzwerkknoten verwenden kann, haben kürzlich
die Forscher aus Garching gezeigt. Ihr rudimentäres Netzwerk bestand aus zwei
Rubidiumatomen, die sich in zwei etwa zwanzig Meter entfernten Laborräumen
befanden und nur über ein sechzig Meter langes Glasfaserkabel miteinander
verbunden waren. Jedes Atom war in einem winzigen Hohlraumresonator eingesperrt,
worin es in der Schwebe gehalten wurde. Ähnlich wie bei den Versuchen mit den
Atomwolken erfolgte der Austausch von Quanteninformationen über Lichtquanten,
die durch das Glasfaserkabel von einem Rubidiumatom zum anderen transportiert
werden.
Zunächst demonstrierten die Forscher um Gerhard Rempe und Stephan Ritter, dass
sich die in den Resonatoren gefangenen Teilchen hervorragend als elementare
Quantenspeicher eigneten. Quanteninformationen, die in der Schwingungsrichtung
eines Photons kodiert waren, ließen sich auf ein Atom übertragen, speichern und
nach einer gewissen Zeit wieder in Form eines neuen Lichtquants abrufen. Dessen
Polarisationsrichtung stimmte mit derjenigen des ersten Photons überein.
In einem zweiten Versuch schickten sie dann den Quantenzustand des ersten Atoms
zu dem anderen Atom in Labor B. Dazu waren mehrere Schritte notwendig. Zuerst
wurde das erste Atom mit Laserlicht angeregt und dazu gebracht, ein einzelnes
Photon auszusenden. Nach dem Verlassen des Resonators wanderte das Lichtteilchen
durch die Glasfaser in das Nachbarlabor. Dort wurde es in den zweiten Resonator
eingekoppelt und vom darin gefangenen Rubidiumatom absorbiert. Aufgrund der
starken Wechselwirkung zwischen Atom und Photon übertrug sich die
Polarisationsrichtung des Photons auf das gefangene Teilchen. Dieses nahm
dadurch denjenigen Zustand an, in dem sich das erste Atom anfänglich befunden
hatte. Allerdings war die Erfolgsrate eher dürftig. Die Übertragung
funktionierte nur in einem von fünf Fällen, was vor allem daran lag, dass das
erste Atom zu wenige Photonen produzierte. Wenn es allerdings einmal klappte,
dann war die Übereinstimmung besonders groß.
In einem weiter gehenden Experiment, demonstrierten Rempe und seine Kollegen die
Vorzüge ihrer Versuchsanordnung. Durch die Übertragung der Photonen ließen sich
die beiden - normalerweise unabhängigen - Atome zu einem einheitlichen
Quantensystem verschmelzen, wofür es in der klassischen Physik keine
Entsprechung gibt. Dazu wurde das erste Rubidiumatom abermals dazu gebracht, ein
Photon auszusenden - dieses Mal aber so, dass das Atom und das ausgesandte
Photon miteinander verschränkt waren. Anschließend schickte man das
Lichtteilchen zum zweiten Atom in das Nachbarlabor. Als es absorbiert wurde,
übertrug sich anders als bei den vorhergehenden Versuchen die Verschränkung auf
das zweite Atom, obwohl es sich rund 20 Meter entfernt vom ersten Atom aufhielt.
Wurde der Zustand des ersten Atoms ermittelt, lagen augenblicklich auch die
Eigenschaften des zweiten Atoms fest - ein Verhalten, das nur die Quantenphysik
ermöglicht.
Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (doi: 10.1038/nature11023)
berichten, sei es das erste Mal gewesen, dass zwei Atome über eine Distanz von
zwanzig Metern quantenmechanisch miteinander verschränkt worden seien. Frühere
Versuche kamen über einige Millimeter nicht hinaus. Entsprechende Messungen
zeigten, dass die strenge Korrelation rund hundert Mikrosekunden anhielt. Diese
Zeitspanne würde nach Aussagen der Forscher ausreichen, um Quanteninformationen
über eine Distanz von zwanzig Kilometer zu verschicken. Diese Distanz sollte
sich aber noch steigern lassen, wenn man angeregte Zustände zur Kodierung von
Quanteninformationen verwendet. Bislang haben die Forscher bestimmte Übergänge
des atomaren Grundzustands genutzt.
Die Wissenschaftler um Rempe denken bereits auch an ein richtiges
Quantennetzwerk, das aus mehr als zwei Knoten besteht. Zunächst gilt es aber,
den Versuchsaufbau robuster zu machen und die Effizienz der
Informationsübertragung sowie den Grad der Verschränkung zu verbessern.
Optimierungsbedarf sehen die Forscher auch bei der Größe des Experiments. Das
Instrumentarium eines jeden atomaren Knotens füllt ein ganzes Labor.
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