Forschende der Universit?ten Paderborn und Ulm entwickeln den ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher
Kleinste Teilchen, die miteinander verbunden sind, obwohl sie teilweise tausende Kilometer trennen – Albert Einstein nannte dies eine ?spukhafte Fernwirkung“. Was in Hinblick auf die klassische Physik unerkl?rlich ist, geh?rt zum fundamentalen Bestandteil der Quantenphysik. Eine sogenannte Verschr?nkung kann zwischen mehreren Quantenteilchen auftreten, wobei bestimmte Eigenschaften der Teilchen miteinander gekoppelt sind. Verschr?nkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen zeigen bedeutende Vorteile bei der Realisierung von Quantenalgorithmen, die perspektivisch in der Kommunikation, Datensicherheit oder beim Quantencomputing eingesetzt werden k?nnten. Forschende der Universit?t Paderborn haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der Universit?t Ulm den ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher entwickelt. Die Studie wurde als Editor’s suggestion in den Physical Review Letters ver?ffentlicht.
Verschr?nkte Lichtteilchen
Die Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Christine Silberhorn am Department Physik und Institut für photonische Quantensysteme (PhoQS) an der Universit?t Paderborn verwendet kleinste Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, als Quantensysteme. Das Ziel der Wissenschaftler*innen: m?glichst viele davon in gro?en Zust?nden zu verschr?nken. Gemeinsam mit Forschern des Instituts für Theoretische Physik an der Universit?t Ulm haben sie nun einen neuen Ansatz vorgestellt.
Bisher konnten mehr als zwei Teilchen nur sehr ineffizient miteinander verschr?nkt werden. Wollten Forschende zwei Teilchen mit weiteren koppeln, mussten sie teilweise lange warten, denn die Verschaltung, die diese Verschr?nkungen erzeugen k?nnen, funktionieren nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, das hei?t, nicht per Knopfdruck. Das führte dazu, dass die Photonen schon nicht mehr im Experiment waren, wenn die n?chsten passenden Teilchen ankamen – denn das Speichern von den Qubit-Zust?nden stellt eine gro?e experimentelle Herausforderung dar.
Schritt für Schritt bis zur gro?en Verschr?nkung
?Wir haben jetzt einen programmierbaren optischen Quantenkurzzeitspeicher entwickelt, der dynamisch zwischen den verschiedenen Modi – dem Speichermodus, dem Interferenzmodus und der abschlie?enden Freigabe – hin- und herschalten kann“, so Silberhorn. Ein kleiner Quantenzustand kann in dem Versuchsaufbau so lange gespeichert werden, bis ein n?chster Zustand erzeugt wird und beide dann miteinander verschr?nkt werden k?nnen. Hierdurch ?w?chst“ Teilchen für Teilchen ein gro?er verschr?nkter Quanten-Zustand. Das Team um Silberhorn hat auf diese Weise bereits sechs Teilchen miteinander verschr?nkt und ist dabei viel effizienter als alle bisherigen Experimente. Zum Vergleich: Die gr??te Verschr?nkung von Photonenpaaren, durchgeführt von chinesischen Forschenden, besteht aus zw?lf einzelnen Teilchen. Allerdings ben?tigte das Herstellen dieses Zustandes um mehrere Gr??enordnungen mehr Zeit.
Die Quantenphysikerin erkl?rt: ?Mit unserem System k?nnen wir Schritt für Schritt immer gr??ere verschr?nkte Zust?nde aufbauen – das ist viel zuverl?ssiger, schneller und effizienter als mit allen bisherigen Methoden. Für uns ist das ein Meilenstein, mit dem die praktische Anwendung von gro?en verschr?nkten Zust?nden für nützliche Quantentechnologien in greifbare N?he rückt.“ Der neue Ansatz ist mit allen g?ngigen Quellen zur Photonenpaar-Erzeugung kombinierbar. So k?nnen auch andere Wissenschaftler*innen die Methodik anwenden.
Zur Studie: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.150501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.150501
