Verschränkung auf Knopfdruck

  • 13. June 2018

Spins in Diamanten legen Grundlage für ein Quantennetzwerk.

Vor drei Jahren hatten Ronald Hanson von der Tech­nischen Univer­sität Delft und seine Mitarbeiter für eine weltweite Sensation gesorgt, als sie zwei Spins in Diamanten miteinander quanten­mechanisch verschränkten, die über einen Kilometer von­einander entfernt waren. Damals ging es darum, durch einen ulti­mativen Bell-Test die Verletzung von Bells Ungleichung zweifelsfrei nachzu­weisen und damit Einsteins lokalen Realismus endgültig zu wider­legen. Da dieses Experiment immer nur jeweils an einem Spinpaar durch­geführt wurde, spielte es keine Rolle, dass die Verschränkung in viel kürzerer Zeit zerfiel als man zu ihrer Erzeugung benötigte. Will man jedoch ein Quanten­netz aufbauen, das viele verschränkte Spins enthält, so muss deren Prä­paration viel schneller erfolgen als ihr Zerfall. Am besten wäre es, wenn man viele Spinpaare auf Knopfdruck gleich­zeitig verschränken könnte.

Abb.: Illustration eines Quantennetzwerks, das überlagerte Spinzustände in Mikrodiamanten nutzt. (Bild: TU Delft / Scixel)

Abb.: Illustration eines Quantennetzwerks, das überlagerte Spinzustände in Mikrodiamanten nutzt. (Bild: TU Delft / Scixel)

Solch eine schnelle Verschränkung auf Wunsch ist Hanson und seinen Kollegen jetzt mit Spins in zwei Mikro­diamanten gelungen, die zwei Meter voneinander entfernt waren. Ähnliches haben nun auch Forscher um Andreas Wallraff von der Eidge­nössischen Tech­nischen Hochschule Zürich mit zwei supra­leitenden Quanten­bits geschafft, die durch einen Draht einzelne Mikrowellen­photonen austauschen konnten. Vergleich­bare Experimente mit einzelnen Ionen hatte man schon 2015 durch­geführt.

Zunächst haben Hanson und seine Mitarbeiter die Stickstoff­fehlstellen in den beiden tiefge­kühlten Mikro­diamanten in zwei ausge­wählten Zuständen präpariert, die den beiden Spin­zuständen „up“ und „down“ entsprachen. Mit Mikrowellen­pulsen wurde jeder der beiden Spins in einen Überlagerungs­zustand von „up“ und „down“ gebracht. Während „up“ ein quasi heller Zustand war, der durch einen geeigneten Licht­puls zum Leuchten gebracht werden konnte, blieb „down“ dunkel. Die Forscher verschränkten die beiden Spins mit einem Lichtpuls, den sie mit einem Strahl­teiler zerlegten und durch eine Glasfaser zu den beiden Diamanten führten. War dort der Spin „up“, so strahlte er ein Photon ab, das von einer Glasfaser zu einem zweiten Strahl­teiler gebracht wurde. Der vereinte die von den Spins abge­gebene Strahlung und leitete sie zu einem Photonen­detektor.

Wies der Detektor ein Photon nach, so stand fest, dass einer der beiden Spins „up“ und der andere „down“ war. Da sich aber nicht ent­scheiden ließ, welcher „up“ und welcher „down“ war, befanden sich die beiden Spins nun in einem ver­schränkten Zustand (up,down)+c(down,up). Den Phasenfaktor c haben die Forscher inter­ferometrisch gemessen und durch piezo­elektrische Dehnung einer der beiden Glasfasern auf dem ge­wünschten Wert gehalten. Das vom Detektor regis­trierte Photon war nicht nur die Ursache der Verschränkung, sondern es kündigte sie auch an. Auf Knopfdruck wurde dann solange versucht, die beiden Spins zu verschränken, bis dies zufällig gelang und ein Photon den Erfolg anzeigte. Das dauerte etwa 25 Milli­sekunden und klappte rund tausendmal schneller als bei früheren Experi­menten, die zwei Photonen für die Verschränkung benötigten statt eines.

Abb.: Lichtpulse regen die Fehlstellen in den beiden Diamanten zum Leuchten an (li.). Die abgestrahlten Photonen werden über einen Strahlteiler zu einem Photonendetektor geführt, der sie registriert. Wird ein Photon nachgewiesen, so sind die Spins der Fehlstellen verschränkt. Alle 180 Millisekunden muss die relative Phase im Interferometer (re.) stabilisiert werden. (Bild: P. C. Humphreys et al., NPG)

Abb.: Lichtpulse regen die Fehlstellen in den beiden Diamanten zum Leuchten an (li.). Die abgestrahlten Photonen werden über einen Strahlteiler zu einem Photonendetektor geführt, der sie registriert. Wird ein Photon nachgewiesen, so sind die Spins der Fehlstellen verschränkt. Alle 180 Millisekunden muss die relative Phase im Interferometer (re.) stabilisiert werden. (Bild: P. C. Humphreys et al., NPG)

Mit geeigneten Folgen von Mikrowellen­pulsen entkop­pelten die Forscher die verschränkten Spins dynamisch von den Störungen durch die Kernspins der 13C-Kerne in den Diamanten. Außerdem verrin­gerten sie so weit wie möglich die Störungen durch äußere Magnetfelder. So konnten sie die Lebens­dauer der Verschränkung von fünf Mikro­sekunden auf über 200 Milli­sekunden erhöhen und die verschränk­ten Spinpaare zehnmal schneller erzeugen als dass sie wieder zerfielen. Die dabei erreichte Fidelity der Verschränkung betrug allerdings nur 0,60 – bei einer Rate von 39 Hertz. Bei gründ­licherer aber auch lang­samerer Verschränkung bei sechs Hertz lag die Fidelity bei 0,81.

Die Forscher sind zuver­sichtlich, dass sich diese Werte noch wesent­lich verbessern lassen. Damit sind sie bereit, ein Quanten­netz mit mehr als zwei Spin tragenden Knoten aufzu­bauen. „Zusammen mit Partnern wie KPN (der König­lichen Post- und Telefon­gesellschaft) wollen wir bis 2020 vier Städte in den Nieder­landen durch quanten­mechanische Verschrän­kung verbinden. Das wird das erste Quanten-Internet der Welt sein“, sagt Hansen.

Rainer Scharf

JOL

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