Fliegende Qubits
Genfer Physiker beseitigen Hürde, damit sich Quantencomputer miteinander unterhalten können
Extrem schnelle und parallel rechnende Quantencomputer liegen noch weit in der Zukunft. Doch in Laboren schalten schon erste Quantenbits, kurz Qubit, die meist aus einzelnen tiefgekühlten, gefangenen Alkaliatomen bestehen. Schweizer Physiker haben nun auch einen Weg gefunden, wie Quantencomputer Daten über eine Glasfaser miteinander austauschen könnten. Ihre Ergebnisse, die eine prinzipielle Hürde auf dem Weg zu diesen noch visionären Rechnern nimmt, präsentieren sie im Fachblatt Nature (Vol. 437, S. 116).
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"Photonen repräsentieren den natürlichen, fliegenden Qubit-Träger für die Quantenkommunikation", schreiben Sébastien Tanzilli und seine Kollegen von der Universität Genf. Doch für die auf Licht basierende Datenleitung durch Glasfaser sind Infrarot-Wellenlängen zwischen 1310 und 1550 Nanometer ideal. Die Zustände der ersten Quantenbits, die die Aufgabe des Rechnens und Speicherns übernehmen sollen, werden dagegen über Lichtwellen um 800 Nanometer kontrolliert. Hier können die einzelnen als Qubits genutzten Alkaliatome Licht absorbieren und aussenden. Auch wenn die beiden Module eines gesamten Quanteninformationssystems offenbar nicht auf der gleichen Wellenlänge liegen, fanden die Forscher einen Übermittlungsweg für Daten. "Wir demonstrierten einen Qubit-Transfer zwischen Photonen mit den Wellenlängen von 1310 und 710 Nanometern", so die Autoren. Die Genauigkeit bei dieser Übertragung lag bei etwa 98 Prozent.
Um die Quantendaten von einem kurzwelligen Lichtteilchen auf ein langwelliges zu übertragen, greifen Tanzilli und Kollegen zu einem Trick: In einem Demonstrationsversuch spalteten sie ein Photon mit 711,6 Nanometer Wellenlänge in zwei langwellige Photonen auf. Diese können durch die Glasfaserkabel reisen. Erreichen beiden Photonen jeweils einen speziellen Analysator, können die Forscher überprüfen, ob beide Lichtteilchen noch immer das ursprüngliche Paar bilden. Erst dann sind sie noch miteinander verschränkt - eine zentrale Voraussetzung für jede Quanteninformation.
Verläuft dieser Test positiv, muss nur noch ein langwelliges Photon wieder zurück auf die kurzen Wellenlängen eines Qubits transformiert werden. Hierzu dient ein Laser, dessen Licht sich mit dem Photon paart. Dabei vernichten sich beide Lichtteilchen und senden gleichzeitig direkt ein neues aus. Dieses hatte wieder eine Wellenlänge von 711,4 Nanometer - kurz genug, um Quanteninformation wieder auf ein Qubit zu übertragen. Der Datenkreis ist geschlossen.
Auch wenn Tanzilli und Kollegen nicht von einem echten Qubit ausgegangen sind, haben sie mit ihrem Experiment die Übertragung von Quanteninformationen über Photonen verschiedener Wellenlängen demonstrieren können. Damit funktionieren im Prinzip die wichtigen Interfaces zwischen Quantencomputern. Eine Anpassung an etwas von 711,4 nm abweichende Wellenlängen, wie sie in Qubit-Experimenten vorkommen, halten sie nun für möglich.
Jan Oliver Löfken
