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Quantenkommunikation: Relais-Station für Quanten

Das Speichern einzelner Lichtquanten und deren Weiterleiten ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem brauchbaren Netzwerk für Quanteninformationen. Diesem Ziel sind Wissenschaftler nun ein gutes Stück näher gekommen.
Zwei miteinander verbundene Knoten sind noch kein Netz. Aber sie sind der Beginn eines solchen. Das mögen sich auch Alex Kuzmich vom Georgia Institute of Technology in Atlanta, Matthew Eisaman von der Harvard Universität in Cambridge und Jeff Kimble vom California Institute of Technology in Pasadena gedacht haben. Die Arbeitsgruppen von Kuzmich [1] und Eisaman [2] erzeugten einzelne Lichtteilchen, so genannte Photonen, die sie von ein Ensemble aus Atomen auf ein anderes, weit entferntes übertrugen, um sie dort zu speichern und nach einer Weile wieder weiterfliegen zu lassen. Das Forscherteam um Kimble [3] verkoppelte dagegen Atomansammlungen über eine Distanz von fast drei Metern miteinander. Die Forschergruppen haben damit erstmalig einen Weg aufgezeichnet, wie sich quantenkryptografisch verschlüsselte Botschaften künftig einmal über ausgedehnte Strecken übermitteln lassen.

Die Experimentatoren stehen dabei vor einer ähnlichen Herausforderung wie ihre Kollegen von der "klassischen" Optoelektronik: Um Lichtsignale in Glasfaserkabeln über weite Strecken transportieren zu können, müssen die Datenpakete alle paar Kilometer verstärkt werden. Denn sie verlieren unterwegs an Form und Intensität. Doch was in der Glasfasertechnik bereits gut funktioniert, ist für die Übertragung von Quanteninformationen unbrauchbar: Die handelsüblichen Verstärker erzeugen ein zu starkes Rauschen und verfälschen die gesendeten Botschaften. Mit anderen Worten: Sie zerstören die gewollte quantenmechanische Verschränkung, die für die Quantenkryptografie ebenso wichtig ist wie für das Rechnen mit einem künftigen Quantencomputer.

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Alex Kuzmich und sein Team | Alex Kuzmich und sein Team vom Georgia Tech posieren hinter ihrer Apparatur, mit der sie einzelne Photonen in einer Art Speicher fangen und nach einer Weile wieder frei lassen können.
Wie einen kostbaren Schatz müssen die Wissenschaftler ihre Informationspakete – die Qubits und Qubytes – daher von jeglicher Umwelt abschirmen. Sonst verlieren sie ihre Aussagekraft. Physiker nennen dieses Phänomen Dekohärenz: Die Quantenhäppchen treten mit der Außenwelt in Kontakt und verlieren ihren Nachrichtenwert. Nichtsdestoweniger eignet sich Licht prinzipiell für die Übertragung von Quanteninformationen. Bei geeigneter Führung bleiben die in der elektromagnetischen Welle enthaltenen Daten verhältnismäßig lange erhalten – wenngleich die Signale auf Dauer eben schwächeln.

Der Lösung dieses Problems sind die drei Arbeitsgruppen nun einen großen Schritt näher gekommen. Sie fingen ein vorher erzeugtes Lichtteilchen wieder ein und ließen es erst nach einer Weile weiterfliegen. In der Zwischenzeit hat es sich offenbar zugleich regeneriert.

Thierry Chaneliere und Dzmitry Matsukevich vor ihrem ExperimentLaden...
Thierry Chaneliere und Dzmitry Matsukevich vor ihrem Experiment | Die beiden Forscher Thierry Chaneliere und Dzmitry Matsukevich vom Georgia Tech haben mit ihrem Versuchsaufbau einzelne Photonen gespeichert und wieder auf die Reise geschickt.
Was sich so einfach dahersagt, ist ein höchst komplizierter Prozess. Zentral handelt es sich hier um einen ein physikalischer Effekt, der sich Raman-Streuung nennt. Darunter verstehen die Naturwissenschaftler die inelastische Streuung von Licht an Atomen. Inelastisch, weil das absorbierende Medium hierbei einen Teil der Strahlungsenergie aufnimmt oder der elektromagnetischen Welle hinzufügt. Bereits im Jahr 2001 vermuteten Theoretiker, dass sich ein einziges Quantenbit mit Hilfe der Raman-Streuung in einem Haufen von Atomen erzeugen oder speichern lässt.

Dies gelang den besagten Forscherteams nun. Nachdem sie auf diese Weise ein Photon erzeugten, schickten sie es durch eine etwa einhundert Meter lange Glasfaseroptik und fingen es anschließend in einer zweiten, gleichartigen Atomwolke wieder ein.

Dabei ist das Einfangen eines Photons technisch überaus anspruchsvoll. Eigentlich müsste das Licht durch den gleichartigen zweiten Haufen von Atomen einfach absorbiert werden und damit für weitere Experimente für immer verloren sein.

Doch nutzten die Physiker einen Trick, der sich elektromagnetisch induzierte Transparenz – kurz EIT – nennt: Durch Bestrahlen mit einem Laser verstimmten die Experimentatoren die Atome des Fänger-Ensembles so, dass es für das Photon durchsichtig wurde. Befand sich das Lichtteilchen gerade mitten in der Wolke, schalteten die Wissenschaftler den Laser aus. Nun war die Ansammlung wieder undurchsichtig, und das Lichtquant blieb dort für eine Weile – typischerweise einige hundert Nanosekunden – gefangen. Es wurde erst wieder freigesetzt, wenn der Laser erneut in Betrieb ging.

Durch ihre Versuchsanordnung konnten die Quantenoptiker zugleich feststellen, dass das reanimierte Photon durch diesen Prozess – wie nach dem Bade in einem Jungbrunnen – offenbar frisch gestärkt hervortrat. Zusammen mit dem Nachweis von Kimble, dass sich derartige Atomanordnungen über große Entfernungen quantenmechanisch koppeln lassen, ist eine solche Übertragung von Lichtimpulsen über derartige "Relais-Stationen" ein bedeutender Schritt, um dereinst ein brauchbares Netz zu knüpfen, über das sich Quanteninformationen austauschen lässt.
09.12.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.12.2005

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