Rydberg-Systeme als neue Plattform für Optische Quantenkommunikation und Quantennetzwerke

Neues aus der Forschung

Meldung vom 30.10.2018

Durchbruch in der Quantenforschung: Mit elektromagnetisch induzierter Transparenz lassen sich starke Wechselwirkungen von Rydberg-Atomen auf Licht übertragen. Forschern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es nun erstmals gelungen, mithilfe dieses Mechanismus ein Photon-Photon-Quantengatter zu realisieren. Sie erhalten damit eine sehr hohe Kontrolle über einzelne Photonen und machen einen wichtigen Schritt hin zu Anwendungen in Quantenkommunikation und -netzwerken.


181102-1437_medium.jpg
 
Steffen Schmidt-Eberle mit Kollege Thomas Stolz bei der Arbeit im Labor: Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erforschen sie Grundlagen für zukünftige Quantentechnologien.
Daniel Tiarks, Steffen Schmidt-Eberle, Thomas Stolz, Gerhard Rempe, Stephan Dürr
A Photon-Photon Quantum Gate Based on Rydberg Interactions
Nature Physics, October 29th, 2018
DOI: 10.1038/s41567-018-0313-7


„Seit den 2000er Jahren versuchen Wissenschaftler, Rydberg-Atome für die Verarbeitung von Quanteninformationen mit Photonen einzusetzen. Jetzt ist uns ein entscheidender Schritt in diese Richtung gelungen“, so Steffen Schmidt-Eberle, Doktorand am Max-Planck-Institut für Quantenoptik im Forschungszentrum-Garching bei München. Unter Leitung von Stephan Dürr und Gerhard Rempe, Direktor der Abteilung Quantendynamik, arbeitet er seit 2014 zusammen mit einem Team aus Wissenschaftlern auf das Ziel hin, ein Photon-Photon-Quantengatter zu entwickeln.

Da Rydberg-Atome stark miteinander wechselwirken, sind diese hervorragend geeignet, um Quanteninformationen zu verarbeiten. Die Forscher versuchen diese bekannte starke Wechselwirkung zwischen Rydberg-Atomen auf Licht zu übertragen und auf diesem Weg eine logische Operation zwischen zwei Lichtquanten, also Photonen, zu implementieren. Dieses kontrollierte Verfahren ist notwendig, um Quanteninformationen innerhalb eines Quantennetzwerks korrekt verarbeiten zu können.

„Die Kontrolle über Licht und dessen Eigenschaften spielt in der modernen Welt eine immer bedeutendere Rolle. Heutige Alltagsanwendungen reichen von der Medizin über die Materialbearbeitung bis hin zur schnellen Datenübertragung. Ein aktuelles Forschungsziel ist es daher, Licht auf dem Niveau einzelner Photonen ähnlich umfassend kontrollieren zu können“, führt der Forscher Schmidt-Eberle aus.

Mit Photonen können Informationen besonders schnell ausgetauscht werden und sie erreichen hohe Bandbreiten. Das ist der Grund, warum optische Technologien heutzutage bereits standardmäßig für den Austausch von Daten im Internet eingesetzt werden. Auch zukünftige Quantentechnologien werden voraussichtlich auf diese besonderen Eigenschaften von Photonen setzen, um Quantenzustände und damit Quanteninformationen zwischen verschiedenen Knoten zu übertragen.

Erste Versuche, Photonen nicht nur für die Übertragung, sondern auch für die Verarbeitung von Information zu nutzen, scheiterten allerdings daran, dass Lichtpulse von selbst nicht miteinander interagieren. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben dieses Problem nun gelöst, indem sie die Photonen an Rydberg-Atome koppeln. Mithilfe der starken Wechselwirkung zwischen den Rydberg-Atomen ist es ihnen erstmals gelungen, eine effektive Wechselwirkung für Photonen herzustellen und schließlich ein Quantengatter zwischen zwei Photonen zu realisieren. Ein solches Quantengatter kann in einem zukünftigen Quantencomputer oder -netzwerk eine ähnliche Rolle wie die CPU in einem klassischen Computer spielen.

Die Forscher gehen im Photon-Photon-Quantengatter-Experiment wie folgt vor: Zunächst erzeugen sie eine ein Mikrokelvin kalte Atomwolke und speichern darin ein erstes Photon. Durch diese Atomwolke senden sie nun ein zweites Photon. Im Anschluss lesen sie das erste Photon aus und messen die Polarisation beider Photonen. Dabei ist der Einfluss des ersten Photons auf das zweite so stark, dass die Polarisation des zweiten Photons abhängig von der Polarisation des ersten Photons um 90 Grad gedreht wird. „Es ist schon faszinierend, dass es gelingt, mit einem einzelnen Photon einen so großen Effekt zu erzeugen“, sagt der Doktorand Schmidt-Eberle begeistert.

„Eine der zentralen Herausforderungen, nämlich die Wechselwirkung so stark zu machen, dass der Drehwinkel nicht zu klein ausfällt, konnten wir schon vor zwei Jahren lösen. Die aktuelle Herausforderung bestand für uns darin, die Drehung nicht davon abhängig zu machen, ob das erste Photon eingestrahlt wird oder nicht, sondern davon, welche Polarisation es hat“, konkretisiert Stephan Dürr, Leiter des Projekts. Um dies zu erreichen, war es für die Forscher entscheidend, geeignete atomare Zustände zu identifizieren, an welche die Photonen gekoppelt werden können, und diese Kopplung dann technisch zu implementieren.

„Die Erzeugung der effektiven Wechselwirkung zwischen Photonen mittels Rydberg-Atomen ist ein junges, dynamisches Gebiet, das es ermöglicht, optische Nichtlinearität auf dem Niveau einzelner Photonen zu demonstrieren. Die Realisierung eines Quantengatters ist ein entscheidender Meilenstein in der Entwicklung dieses Gebietes, der zeigt, dass die Eigenschaften eines Photons durch den Einfluss nur eines anderen Photons maximal verändert werden“, ergänzt Stephan Dürr.

„Wir konnten in unseren Versuchen erstmals den Beweis erbringen, dass die Verarbeitung von Quanteninformationen zwischen Photonen mit Rydberg-Systemen überhaupt möglich ist. Das ist ein entscheidender Schritt, um in der Folge ein hocheffizientes Photon-Photon-Quantengatter entwickeln zu können“, bestätigt Gerhard Rempe die Leistung seiner Wissenschaftler.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung