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Erster programmierbarer optischer Quantenspeicher

Uni Paderborn an Meilenstein der Quantentechnologie beteiligt

Paderborn

Forscher der Universität Paderborn und Ulm haben gemeinsam den „ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher“ entwickelt. Laut einer Pressemitteilung der Uni seien die Forscher mit ihrem neuen Ansatz „viel effizienter als alle bisherigen Experimente.“ Von den neuen Erkenntnissen können auch unsere Kommunikation oder Datensicherheit profitieren, auch dort werden sogenannte Quantenalgorithmen eingesetzt.

Forscher der Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ verschränken kleinste Lichtteilchen miteinander. Foto: Universitaet Paderborn/Besim Mazhiqi

Die Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Christine Silberhorn am Department Physik und Institut für photonische Quantensysteme (PhoQS) an der Universität Paderborn verwendet kleinste Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, als Quantensysteme. Das Ziel der Wissenschaftler ist es, möglichst viele davon in großen Zuständen zu verschränken. Gemeinsam mit Forschern des Instituts für Theoretische Physik an der Universität Ulm haben sie nun einen neuen Ansatz vorgestellt.

Bisher konnten mehr als zwei Teilchen nur sehr ineffizient miteinander verschränkt werden. Wollten die Forscher zwei Teilchen mit weiteren koppeln, mussten sie teilweise lange warten, denn die Verschaltung, die diese Verschränkungen erzeugen können, funktionieren nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, das heißt, nicht per Knopfdruck. Das führte dazu, dass die Photonen schon nicht mehr im Experiment waren, wenn die nächsten passenden Teilchen ankamen – denn das Speichern von den sogenannten Qubit-Zuständen stellt eine große experimentelle Herausforderung dar.

Schritt für Schritt bis zur großen Verschränkung

„Wir haben jetzt einen programmierbaren optischen Quantenkurzzeitspeicher entwickelt, der dynamisch zwischen den verschiedenen Modi – dem Speichermodus, dem Interferenzmodus und der abschließenden Freigabe – hin- und herschalten kann“, sagt Silberhorn. Ein kleiner Quantenzustand kann in dem Versuchsaufbau so lange gespeichert werden, bis ein nächster Zustand erzeugt wird und beide dann miteinander verschränkt werden können. Hierdurch „wächst“ Teilchen für Teilchen ein großer verschränkter Quanten-Zustand.

Das Team um Silberhorn hat auf diese Weise bereits sechs Teilchen miteinander verschränkt und ist laut der Pressemitteilung „dabei viel effizienter als alle bisherigen Experimente“. Zum Vergleich: Die größte Verschränkung von Photonenpaaren, durchgeführt von chinesischen Forschern, besteht aus zwölf einzelnen Teilchen. Allerdings haben die Forscher aus China dafür auch um „mehrere Größenordnungen“ mehr Zeit gebraucht.

„Mit unserem System können wir Schritt für Schritt immer größere verschränkte Zustände aufbauen – das ist viel zuverlässiger, schneller und effizienter als mit allen bisherigen Methoden. Für uns ist das ein Meilenstein, mit dem die praktische Anwendung von großen verschränkten Zuständen für nützliche Quantentechnologien in greifbare Nähe rückt“, wird die Paderborner Quantenphysikerin in der Pressemitteilung zitiert. Der neue Ansatz ist mit allen gängigen Quellen zur Photonenpaar-Erzeugung kombinierbar. So können auch andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Methodik anwenden.

Die Studie wurde als Editor’s suggestion in den Physical Review Letters veröffentlicht.

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