Zum ersten Mal gelang es Physikern, ein quantenverschränktes Paar "heterogener" Teilchen zu erh alten - ein Photon und ein Atom. Bisher konnten nur Paare von zwei Photonen oder zwei Atomen (Ionen) miteinander „verschränkt“werden.
Mikhail Lukin, unser Landsmann, arbeitet in Harvard. Der von ihm geleiteten Gruppe von Wissenschaftlern ist die Quantenverschränkung von Photonen und Atomen fester Materie gelungen. Solche Atome können als Qubits fungieren – Quantenbits; und neue Forschungsergebnisse zeigen eine Möglichkeit, Informationen zwischen Qubits über große Entfernungen auszutauschen.
Mögliche Anwendungen von Quantennetzwerktechnologien, insbesondere die Kommunikation über große Entfernungen und das verteilte Rechnen, werden nicht ohne Quanteninformationsspeicherknoten auskommen. Die Qubits, in denen die Daten „aufgezeichnet“werden, müssen miteinander verschränkt werden.
„Für Wissenschaftler, die an Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantencomputer und der Quanteninformationsübertragung beteiligt sind, war die Möglichkeit, zwei Qubits in großer Entfernung zu verschränken, eine große Frage“, sagt Lukin. „Der Nachweis der Quantenverschränkung fester Atome und Photonen ist ein wichtiger Schritt zur Verbindung von Qubits zu Quantennetzwerken.“
Früher gelang es Wissenschaftlern, entweder Photonenpaare oder Atompaare (Ionen) zu verschränken. Lukins Gruppe gelang es jedoch nicht nur, eine „Kreuz“-Verschränkung zu erreichen, sondern auch zu demonstrieren, wie in einem Qubit aufgezeichnete Informationen auf ein Photon übertragen werden.
Die Quantenverschränkung, die Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“beschrieb, ist ein grundlegendes Phänomen der Quantenmechanik. Es ermöglicht die Übertragung von Informationen über große Entfernungen, die nur dadurch begrenzt sind, wie weit Teilchen eines verschränkten Paares voneinander entfernt sein können.
Mikhail Lukins frühere Arbeiten zielten darauf ab, die Arbeit einatomiger Verunreinigungen in Diamanten als Qubits zu untersuchen. Das Forschungsteam bemerkte die Möglichkeit, Defekte im Kristallgitter, wo ein Stickstoffatom Kohlenstoff ersetzt, mit fokussierter Laserstrahlung zu kontrollieren. Die Spin-Freiheitsgrade solcher Verunreinigungen ermöglichen es, daraus hervorragende Quantenspeicher zu machen (allerdings bleibt der von Wissenschaftlern aus Australien entwickelte Quantenspeicher im Moment der effektivste. Lesen Sie darüber - „Stopped light: For a long (Quantenspeicher“).
In einer neuen Arbeit, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, weisen Lukin und seine Co-Autoren auf ein weiteres interessantes Merkmal solcher einatomiger Einschlüsse hin. Wenn Verunreinigungsatome mit einer Reihe sorgfältig ausgewählter Mikrowellen- und Laserpulse angeregt werden, beginnen sie, eines nach dem anderen Photonen zu emittieren. Jedes dieser Photonen ist mit einem Quantenspeicher verschränkt. Ein ähnlicher Strom einzelner Photonen kann zur Übertragung von Informationen verwendet werden.
„Da Photonen die schnellsten Träger von Quanteninformationen sind und Spinspeicher Daten über einen relativ langen Zeitraum zuverlässig speichern können, sind verschränkte Spin-Photonen-Paare eine ideale Lösung für die Implementierung von Quantennetzwerken“, sagt Lukin. „Solche Netzwerke, ein Quantenanalog des Internets, an das wir gewöhnt sind, können die sichere Übertragung von Informationen über große Entfernungen ermöglichen.“
