Schneller Quantenspeicher für Photonen

  • 11. September 2017

Einfacher Aufbau, hoher Bandbreite und geringes Rauschen – neue Technik ist viel­ver­sprechend für künf­tige Quanten­netze.

Forscher der Uni Basel haben einen Speicher für Photonen entwickelt. Es gelang ihnen, die Photonen in einem atomaren Gas zu speichern und wieder aus­zu­lesen, ohne dass sich ihre quanten­mecha­nischen Eigen­schaften zu stark ver­ändert haben. Die Speicher­technik ist ein­fach, schnell und könnte in einem zukünf­tigen Quanten-Internet Ver­wen­dung finden.

Quantenspeicher

Abb.: Schematische Darstellung eines Quanten­netzes: Ein­zelne Photonen über­mit­teln Quanten­infor­ma­tion zwischen den Netz­knoten, wo sie in einem atomaren Gas ge­spei­chert werden. (Bild: U. Basel)

Kurze Lichtpulse dienen bereits heute zur schnellen Datenübertragung. So beruht das Ultra­breit­band-Internet auf Glas­faser­ver­bin­dungen. Beim Empfänger muss die mittels Licht­pulsen über­mittelte Infor­mation schnell und fehler­frei gespei­chert werden, damit sie auf Computern elek­tro­nisch weiter­ver­arbeitet werden kann. Um Über­tragungs­fehler zu ver­meiden, wird jedes Bit Infor­mation in relativ starken Licht­pulsen kodiert, die min­des­tens einige hundert Photonen ent­halten.

Seit einigen Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, solche Netze auch mit ein­zelnen Photonen zu betreiben. Eine Kodie­rung von einem Bit pro Photon ist nicht nur äußerst effi­zient, sondern ermög­licht auch eine radikal neue Form der Infor­mations­ver­arbei­tung, die auf den Gesetzen der Quanten­physik beruht. Diese erlaubt es einem ein­zelnen Photon nicht nur die Werte 0 oder 1 eines klas­si­schen Bits zu kodieren, sondern auch eine Über­lage­rung beider Werte gleich­zeitig. Solche Quanten­bits sind die Grund­lage der Quanten­infor­mations­ver­arbei­tung, die in Zukunft abhör­sichere Kommu­ni­ka­tion und super­schnelle Quanten­computer ermög­lichen könnte. Auf dem Weg dort­hin ist das Speichern und Aus­lesen ein­zelner Photonen ein Schlüssel­element, an dem intensiv geforscht wird.

Ein Forscherteam um Philipp Treutlein und Richard Warburton hat jetzt einen besonders ein­fachen und schnellen Quanten­speicher ent­wickelt, bei dem die Photonen in einem Gas von Rubidium-Atomen gespei­chert werden. Der Ein- und Aus­lese­prozess wird mit­hilfe eines Kontroll­lasers gesteuert. Die dabei ver­wen­dete Techno­logie kommt ohne Kühl­gerate oder kompli­zierte Vakuum­appara­turen aus und kann in einem sehr kom­pakten Auf­bau reali­siert werden. Die Forscher konnten zudem nach­weisen, dass der Speicher sehr rausch­arm ist und sich für ein­zelne Photonen eignet.

„Die Kombination aus einfachem Aufbau, hoher Bandbreite und geringem Rauschen ist sehr viel­ver­spre­chend für zukünf­tige Anwen­dungen in Quanten­netzen“, so Team-Mitglied Janik Wolters. Quanten­netze könnten in Zukunft abhör­sichere Kommu­nika­tion, die Ver­netzung ver­schie­dener Quanten­computer und die Simu­la­tion komplexer physi­ka­lischer, chemischer und bio­lo­gischer Systeme ermög­lichen.

U. Basel / RK

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