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FORSCHUNG/798: Einzelnes Atom speichert Quanteninformation (MPG)


Max-Planck-Gesellschaft - 1. Mai 2011

QUANTENPHYSIK
Einzelnes Atom speichert Quanteninformation

Mit einem denkbar winzigen Speicher könnte sich ein leistungsfähiger Quantencomputer konstruieren lassen


Kleiner kann ein Datenspeicher kaum sein: In einem einzelnen Atom haben Forscher um Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching Quanteninformation gespeichert. Die Forscher schrieben den Quantenzustand einzelner Photonen, das sind Lichtteilchen, in ein Rubidium-Atom und lasen diesen nach einer gewissen Speicherdauer wieder aus. Dieses Verfahren lässt sich prinzipiell nutzen, um leistungsfähige Quantencomputer zu konstruieren und über große Distanzen miteinander zu vernetzen.


Quantencomputer sollen einmal bestimmte Rechenaufgaben im Handumdrehen bewältigen, für die heutige Computer Jahre bräuchten. Ihre enorme Rechenkraft sollen sie aus ihrer Fähigkeit beziehen, simultan die vielfältigen Informationen zu verarbeiten, die im Quantenzustand von mikroskopischen physikalischen Systemen, wie etwa von einzelnen Atomen oder Photonen gespeichert sind. Um arbeiten zu können, müssen die Quantenrechner diese Informationen zwischen ihren einzelnen Komponenten austauschen. Photonen eignen sich dafür besonders gut, weil mit ihnen keine Materie transportiert werden muss. Für die Speicherung und Verarbeitung der Informationen hingegen sollen Materieteilchen zum Einsatz kommen. Forscher suchen daher nach Verfahren um Quanteninformationen zwischen Photonen und Materie auszutauschen. Das gelang zwar bisher mit Ansammlungen von vielen tausenden Atomen. Dass sich Quanteninformation aber auch zwischen einzelnen Atomen und Photonen auf kontrollierte Weise austauschen lässt, haben nun die Physiker des Garchinger Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gezeigt.

Die Nutzung eines einzelnen Atoms als Speichereinheit habe mehrere Vorteile, von denen die extreme Miniaturisierung nur einer sei, sagt Holger Specht vom Garchinger Max-Planck-Institut, der an dem Experiment beteiligt war. Die gespeicherte Information lasse sich durch gezielte Manipulationen am Atom verarbeiten, was für die Ausführung logischer Operationen in einem Quantencomputer wichtig sei. "Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit zu überprüfen, ob das Schreiben der im Photon gespeicherten Quanteninformation in das Atom erfolgreich war, ohne den Quantenzustand zu zerstören", sagt Specht. So lasse sich frühzeitig erkennen, dass ein Rechenprozess wegen eines Speicherfehlers wiederholt werden muss.

Dass es bis vor kurzem nicht gelang, Quanteninformation zwischen Photonen und einzelnen Atomen auszutauschen liegt daran, dass die Wechselwirkung zwischen den Lichtteilchen und den Atomen sehr schwach ist. Atom und Photon nehmen sozusagen wenig Notiz voneinander vergleichbar mit zwei Partygästen, die kaum miteinander reden und somit wenig Information austauschen können. Die Garchinger Forscher haben die Wechselwirkung mit einem Trick verstärkt. Sie platzierten ein Rubidium-Atom zwischen die Spiegel eines optischen Resonators. Mithilfe sehr schwacher Laserpulse brachten sie einzelne Photonen in den Resonator. Die Spiegel des Resonators reflektierten die Photonen mehrmals hin- und her, was die Wechselwirkung zwischen Photonen und Atom stark erhöhte. Bildlich gesprochen begegnen sich die Partygäste somit öfter und die Chance, dass sie miteinander sprechen erhöht sich.

Die Photonen trugen die Quanteninformation in Gestalt ihrer Polarisation. Diese kann links zirkular (die Richtung des elektrischen Feldes dreht sich gegen den Uhrzeigersinn) oder rechts zirkular (im Uhrzeigersinn) sein. Der Quantenzustand des Photons kann beide Polarisationen gleichzeitig als einen sogenannten Superpositionszustand beinhalten. Bei der Wechselwirkung mit dem Photon wird das Rubidium-Atom normalerweise angeregt und verliert die Anregung dann durch die zufallsgesteuerte Emission eines weiteren Photons wieder. Das wollten die Garchinger Forscher nicht. Vielmehr sollte die Absorption des Photons das Rubidium-Atom in einen bestimmten, stabilen Quantenzustand bringen. Dies erreichten die Forscher durch einen weiteren Laserstrahl, den so genannten Steuerlaser, den sie zeitgleich mit der Wechselwirkung zwischen Photon und Rubidium-Atom auf letzteres richteten.


Originalveröffentlichung
Holger P. Specht, Christian Nölleke, Andreas Reiserer, Manuel Uphoff, Eden Figueroa, Stephan Ritter, and Gerhard Rempe
A Single-Atom Quantum Memory
Nature, Advance Online Publication, May 1, 2011; DOI: 10.1038/nature09997

Ansprechpartner

Dr. Stephan Ritter
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
E-Mail: Stephan.Ritter@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Dr. habil. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de


Bildunterschrift der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Ein einzelnes Atom als Datenspeicher: In ein Rubidium-Atom zwischen zwei Spiegeln haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik Quanteninformation geschrieben und nach einer gewissen Speicherzeit wieder ausgelesen.


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Quelle:
MPG - Presseinformation vom 1. Mai 2011
Herausgeber:
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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veröffentlicht im Schattenblick zum 4. Mai 2011