Kleinste Hardware-Einheit: Ein Atom

Damit besitzen wir nun universelle Knoten für Quantennetzwerke, zwischen denen man künftig Quanteninformation in Form von Photonen auch über weite Strecken kommunizieren kann", berichtet Stephan Ritter, einer der Autoren der Veröffentlichung, im pressetext-Interview.

Je kleiner die Informationsspeicher unserer Datenwelt werden, desto mehr treten die Grenzen der klassischen Physik zugunsten jener der Quantenmechanik in den Hintergrund. Zum kleinsten denkbaren Speicherbaustein wird das einzelne Atom, während die kleinste Einheit für die optische Datenkommunikation das einzelne Photon, also ein einzelnes Lichtquant ist. Einen Sender, der Quanteninformationen auf ein Photon übertragen kann, gibt es bereits seit einigen Jahren, nicht jedoch einen beschreibbaren Speicher, der nahezu unverfälscht ausgelesen werden kann.

Dass einzelne Atome bisher noch keine Speicher abgaben, geht auf ihre schwache Wechselwirkung mit einzelnen Photonen zurück. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie ein einzelnes Rubidium-Atom mit Lasern zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln festhielten. Die Photonen, die in diesen optischen Resonator eingebracht wurden, liefen 20.000-mal zwischen den Spiegeln hin und her, traten dadurch stark mit dem Atom in Wechselwirkung und übertrugen ihm dabei ihre Information.

Das verlässliche Auslesen aus dem Atom gelang den Forschern auch noch nach 200 Mikrosekunden, was für die Quantentechnik ein Rekord ist. "Eliminiert man den Einfluss externer Magnetfelder, die unsere Speicherzeit begrenzen, so ist eine Erhöhung sogar bis in den Sekundenbereich denkbar", so Holger Specht, einer der beteiligten Wissenschaftler.

Die Erkenntnis dient nicht nur der weiteren Miniaturisierung, sondern könnte zu einer ganz neuen Art der Informationsverarbeitung beitragen. "Anders als die eindeutigen Null und Eins des klassischen Bits zeichnen sich Quantenzustände durch Überlagerungen beider Zustände aus. Darauf basierende Quantencomputer können gewisse Aufgaben weit schneller und effizienter erledigen als bisherige Computer. Entwicklungen wie die unsere könnten einen wichtigen Baustein dafür bilden", betont Ritter.

Das zweite wichtige Einsatzgebiet der Quantennetzwerke ist für die Physiker die Übertragung von Quanteninformationen über große Distanzen. Einige Voraussetzungen wie etwa die optische Hardware des Internets gibt es bereits, während jedoch die in den Glasfasernetzen versandten Daten bisher noch klassisch sind. "Geht stattdessen Quanteninformation auf Reisen, so werden Transportverluste zum Problem, da man ihre schwachen Signale nicht verstärken kann. Die Lösung ist ein Quantenrepeater, für dessen Realisierung man ebenfalls einen Quantenspeicher benötigt", so der Garchinger Forscher. (pte/hal)