Information von einem Photon auf ein Atom übertragen

  • 24. November 2014

Wichtiger Schritt für die Quanten-Informationstechnologie – Polarisation des Photons bestimmt Zustand des Atoms.

In der Quantenwelt besteht Licht aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Einheiten, den Photonen. Ein einzelnes Photon kann Information in Form seiner Polarisation, also seiner Schwingungsrichtung, tragen. Grundsätzlich gibt es zwei entgegengesetzte Polarisationszustände, horizontal und vertikal. Darüber hinaus sind alle Überlagerungen dieser Zustände erlaubt, damit sind also unendlich viele Polarisationen möglich. Einzelne Photonen sind deshalb sehr geeignete Träger zur Übermittlung von Quanteninformation. Die Lichtteilchen sind allerdings recht flüchtig. Um ihre Information zu speichern, muss sie an ein anderes quantenmechanisches System, wie zum Beispiel ein einzelnes Atom, übertragen werden. Kommen einzelne Atome und Photonen zusammen, so passiert eine solche Umwandlung jedoch nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Eine Forschergruppe von der Universität des Saarlandes hat jetzt eine Prozedur vorgestellt, die diese Speicherung mit großer Zuverlässigkeit erlaubt.

Versuchsaufbau

Abb.: Schematischer Versuchsaufbau des Experiments. (Bild: C. Kurz et al. / NPG)

Dabei arbeiten die Physiker mit einem einzelnen Atom, das mit elektrischen Feldern – einer Paul-Falle – freischwebend im Raum festgehalten wird. Das Atom absorbiert aus einem Laserstrahl ein einzelnes Photon, das Information in Form seiner Polarisation trägt. Nach der Absorption bestimmen die Forscher den Atomzustand, also die Information, die das Atom in sich trägt. Dabei fanden sie heraus, dass die Information des Photons mit sehr geringer Fehlerquote in dem Atom gespeichert wurde: Jede Polarisation führt zu einem bestimmten Zustand des Atoms.

„Die Besonderheit am Experiment ist, dass uns das Atom die erfolgreiche Speicherung durch ein ausgesendetes Photon signalisiert und wir somit erfolgreiche von erfolglosen Versuchen unterscheiden können“, erläutert Christoph Kurz, der Leiter des Experiments, das Ergebnis. Obwohl nur ein Bruchteil der einzelnen Versuche erfolgreich ist, steht damit die gespeicherte Information zuverlässig im Atom zur Verfügung, um zum Beispiel mit Laserpulsen weiterverarbeitet und später wieder ausgelesen werden zu können.

Gruppenleiter Jürgen Eschner fügt hinzu: „Die Überlagerung, in welcher die Quanteninformation steckt, bleibt nur erhalten, wenn das ausgesendete Photon die erfolgte Speicherung, aber nicht die gespeicherte Polarisation verrät.“ Die Forscher müssen deshalb sicherstellen, dass das Atom für alle unterschiedlichen Polarisationen des Photons immer dasselbe Signal aussendet. So werden auch alle Überlagerungen zuverlässig gespeichert.

Bausteine wie diese Atom-Photon-Schnittstelle werden in Zukunft von großer Bedeutung sein, wenn die Informationstechnologie bis zur Skala einzelner Teilchen – Atome zum Speichern, Photonen zum Senden von Information – miniaturisiert wird und die quantenmechanischen Eigenschaften dieser Teilchen ausgenutzt werden sollen. Davon erwartet man sich eine besondere Rechenleistung und eine besonders sichere Informationsübertragung.

UdS / RK

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