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Schneller Quantenspeicher für Photonen

11.09.2017

University of Basel, Department of Physics

Schematische Darstellung eines Quantennetzwerks: einzelnen Photonen übermitteln Quanteninformation zwischen den Netzwerkknoten, wo sie in einem atomaren Gas gespeichert werden.

Physiker der Universität Basel haben einen Speicher für Photonen entwickelt. Diese Quantenteilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und eignen sich daher für schnelle Datenübertragung. Den Forschenden ist es gelungen, sie in einem Atomgas zu speichern und wieder auszulesen, ohne dass sich ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu stark verändert haben. Die Speichertechnik ist einfach und schnell und könnte in einem zukünftigen Quanten-Internet Verwendung finden, wie die Forscher in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters» berichten.

Kurze Lichtpulse dienen bereits heute zur schnellen Datenübertragung in Netzwerken. So beruht das Ultrabreitband-Internet auf Glasfaserverbindungen, durch die Information mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wird. 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 codiert, die mindestens einige hundert Photonen enthalten.

Forscher in aller Welt arbeiten bereits seit einigen Jahren daran, solche Netzwerke auch mit einzelnen Photonen zu betreiben. Eine Codierung 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 codieren, 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.

Einfach und schnell

Ein Team von Physikern um die Professoren Philipp Treutlein und Richard Warburton von der Universität Basel hat nun 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.

Auf dem Weg zum Quanten-Internet

«Die Kombination aus einfachem Aufbau, hoher Bandbreite und geringem Rauschen ist sehr vielversprechend für zukünftige Anwendungen in Quantennetzwerken», so Janik Wolters, Erstautor der Studie. Die Entwicklung solcher Quantennetzwerke ist eines der Ziele des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantenwissenschaften und -technologie (NCCR QSIT) sowie des EU-Forschungsrahmenprogramms, die die vorliegende Studie unterstützt haben. Quantennetzwerke könnten in Zukunft abhörsichere Kommunikation, die Vernetzung verschiedener Quantencomputer und die Simulation komplexer physikalischer, chemischer und biologischer Systeme ermöglichen.

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