Telepathie zwischen Licht und Materie - wissenschaft.de
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Telepathie zwischen Licht und Materie

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Prof. Alex Kuzmich und sein Student Dzmitry Matsukevich bei ihrer Apparatur. (Bildquelle: Georgia Institute of Technology)
Von Quantencomputern, die bisher nur in den Köpfen von Physikern existieren, erwartet man im wahrsten Sinne des Wortes einen „Quantensprung“ in der Informationstechnologie. Physikerteams in aller Welt arbeiten seit Jahren daran, das theoretisch gut verstandene Konzept in die diffizile technische Praxis umzusetzen. Zwei US-Physiker vom Georgia Institute of Technology in Atlanta berichten jetzt im Fachmagazin Science (Bd. 306, S. 663) von ihrer Entwicklung eines funktionsfähigen „Quantennetzwerkknotens“, der in quantenmechanischen Zuständen gespeicherte Informationen von Atomen zu Photonen überträgt.

Die kleinste Grundeinheit zur Informationsspeicherung ist bei gewöhnlichen Computern das Bit. Quantencomputer speichern die Informationen dagegen in Qubits. Während ein Bit nur die Zustände 0 und 1 annehmen kann, können die Qubits darüber hinaus alle möglichen Überlagerungen dieser beiden Grundzustände annehmen. Konkret: Ein Qubit kann beispielsweise zu 30 Prozent aus dem Zustand 0 und zu 70 Prozent aus dem Zustand 1 bestehen.

Die Möglichkeit solcher Überlagerungen ergibt sich aus den quantenmechanischen Gesetzen, die es physikalischen Teilchen erlauben, ihre Eigenschaften solange „in der Schwebe“ zu halten, bis eine Messung sie dazu zwingt, sich für eine der Möglichkeiten zu entscheiden. Aus diesem quantenmechanischen Phänomen ergeben sich schließlich auch neuartige Verarbeitungsmöglichkeiten der Information, die bestimmte mathematische Probleme für Quantencomputer sehr viel leichter lösbar machen als für konventionelle Computer.

Den beiden US-Physikern Alex Kuzmich und Dzmitry Matsukevich ist es nun gelungen, solche Qubits von Atomen auf Photonen zu übertragen. Die Entwicklung solch eines Quantennetzwerkknotens ist deshalb so wichtig, weil nur Atome dazu geeignet sind, Quanteninformation langfristig zu speichern. Aber um die Information weiterzuleiten und sie zu verarbeiten, muss man sie auf Photonen übertragen.

Die beiden Physiker verwirklichten ihren Quantennetzwerkknoten in Form zweier Wolken aus etwa einer Milliarde Rubidium-Atomen, durch die sie einen vorher aufgespalteten Lichtstrahl schickten. Auf diese Weise wurde eine „Verschränkung“ zwischen einem einzelnen Photon einerseits und dem gemeinsamen Anregungszustand der beiden Atomwolken andererseits hergestellt.

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Verschränkung ist eine bizarre quantenmechanische Eigenschaft, die von Albert Einstein „spukhafte Fernwirkung“ genannt worden war. Dabei befinden sich zwei räumlich voneinander getrennte Quantensysteme in einem gemeinsamen Zustand. Die Konsequenz ist eine fast telepathische Beziehung zwischen beiden Systemen.

An dem einzelnen Photon führt man anschließend eine Messung durch. Im Gegensatz zu Messungen in der klassischen Physik verändert eine quantenmechanische Messung den Zustand des gemessenen Systems, also in diesem Fall den Zustand des Photons. Weil aber zwischen dem Photon und den Atomwolken eine spukhafte Fernwirkung besteht, verändert sich simultan auch der Zustand der Atomwolken. Der Sinn dieser Prozedur ist es, die Atomwolken in einen gewünschten Zustand zu transformieren, der einem bestimmten Qubit entspricht.

Der nächste entscheidende Schritt ist nun, dieses in den Atomwolken gespeicherte Qubit wieder auszulesen. Dazu regen die Forscher die Atomwolken mit einem roten Lichtpuls an. Als Konsequenz senden die Atomwolken ein einzelnes Photon aus, das das Qubit mit sich trägt.

Kuzmich erwartet die ersten praktischen Anwendungen dieses Quantennetzwerkknotens in sieben bis zehn Jahren. Als nächsten Schritt will er die Effizienz des Verfahrens steigern, indem er die Anzahl der Atome in den Wolken auf zehn Milliarden erhöht.

Axel Tillemans
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