Quanteninformationen gezielt übertragen
Einem Innsbrucker Forscherteam ist erstmals eine vollkommen deterministische Übertragung von Quanteninformationen mit Hilfe einer Verschränkungsübertragung gelungen.
Einem Forscherteam ist es gelungen, eine deterministische Übertragung von Verschränkungen zwischen Ionen im Labor zu verwirklichen. Die Wissenschaftler um Rainer Blatt, Markus Hennrich und Mark Riebe vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck berichten über ihre Variante des Entanglement Swapping Protokolls in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics. Sie hoffen, damit die Implementierung von Quantenrepeatern voranzubringen und die Weiterleitung verschränkter Zustände in Ionenfallen-Quantencomputern zu erleichtern.
Als informationstragendes Quantensystem kommen unter anderem Photonen, Atome oder – wie bei dem jetzt in Innsbruck entwickelten Ansatz – Ionen in Frage. Deren jeweils die Information repräsentierender Quantenzustand ist nur mit Hilfe des quantenmechanischen Phänomens der Verschränkung übertragbar. Bei der Verschränkung zweier Quantensysteme wird jede Änderung eines der beiden Systeme sofort auch beim anderen wirksam. Im einfachsten Fall stammen zwei verschränkte Systeme aus der gleichen Quelle oder sie haben für den Aufbau der Verschränkung direkt miteinander interagiert. Sie müssen also in jedem Fall zumindest eine Zeit lang am gleichen Ort sein, wobei es sehr schwierig ist, die verschränkten Teilchen für eine Weiterleitung zu trennen, ohne die Verschränkung wieder zu verlieren.
Wendet man das Entanglement Swapping an, ist diese Trennung gar nicht notwendig: Mit Hilfe dieses Protokolls lassen sich über einen Zwischenschritt zwei Quantensysteme miteinander verschränken, während sie an verschiedenen Orten sind. Die Innsbrucker Forscher reihen für ihre Variante vier Ionen in einer elektromagnetischen Falle auf und präparieren sie gezielt mit Laserstrahlen. Dann verschränken sie jeweils zwei Ionen miteinander. Von diesen beiden Ionenpaaren wählen sie jeweils ein Ion aus und unterziehen beide einer Bell-Messung. Dadurch sind nicht nur die beiden gemessenen Ionen, sondern auch die beiden anderen Ionen jeweils miteinander verschränkt, ohne dass die Letzteren irgendeinen direkten Kontakt hatten. Je nach Messergebnis manipulieren die Forscher die gemessenen Ionen und versetzen so auch das zweite durch die Messung geschaffene Ionenpaar in einen fest definierten Zustand.
Die Übertragung einer Verschränkung an sich sei bereits in früheren Laborversuchen gelungen, bisher allerdings nur bei Photonenpaaren oder Ion-Photon-Paaren, schreiben die Forscher. Insbesondere die Übertragung von Photonenpaaren ist sehr interessant, da sich damit Quanteninformationen vergleichsweise einfach auch über längere Distanzen übertragen lassen. Allerdings seien damit bisher nur probabilistische Übertragungen eines kleinen Teils der möglichen Zustände gelungen. Die grundlegenden Schritte, um in Ionenfallen gespeicherte Zustände zu verarbeiten, seien dagegen bereits in sehr hoher Güte und vollständig deterministisch implementiert worden. Mit ihrem Versuch sei es ihnen nun erstmals gelungen, eine vollständig deterministische Verschränkungsübertragung zu erreichen, bei der sie in jedem einzelnen experimentellen Durchlauf den Zustand der Zielionen selbst bestimmten. (anm)
