Elegante Quantenteleportation mit nur einem einzelnen Photon

Wissenschaftlern am MPQ gelingt erstmals die Teleportation von Quanteninformation, codiert auf einem atomaren Qubit, in ein 60 Meter entferntes Labor unter Verwendung nur eines einzelnen Photons.

Teleportation verbinden die meisten mit Star Trek, wo Materie auf Knopfdruck und augenblicklich von einem Ort zum anderen transportiert wird. Während diese Fiktion physikalisch unmöglich ist, beschreibt die Quantenteleportation ein ganz anderes, eigenes und doch bedeutend realistischeres Verfahren: den Transfer von Quanteninformation, wie zum Beispiel der Spinzustand eines Atoms, auf ein weit entferntes zweites Atom. Die Quantenteleportation überträgt also keine Materie – die Atome bleiben an ihrem Platz – sondern nur deren gespeicherte Information. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben dafür nun ein neuartiges und einfaches Verfahren entwickelt, das nur ein Photon als Ressource für die Übertragung benötigt. Die Arbeit wurde im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.

Das Bild zeigt einen Blick in eine der beiden Vakuumkammern, die im Teleportationsexperiment verwendet werden. In der Mitte der Vakuumkammer befindet sich eine Halterung, in der sich der optische Resonator befindet. Durch das runde Loch in der Mitte der Halterung sind die beiden Spiegel des Resonators zu sehen (konische weiße Objekte). 

Um Quanteninformation über große Distanzen zu übertragen, braucht man zunächst gar keine Quantenteleportation. Die Übertragung kann einfach folgendermaßen passieren: ein Qubit – ein kleiner Quanteninformationsspeicher – wird in der Schwingungsrichtung eines Photons kodiert. Das Photon wird dann durch eine Glasfaser verschickt und kann somit prinzipiell die Quanteninformation zwischen zwei entfernten Orten hin und her senden. Dieser Vorgang ist an sich sehr simpel, allerdings gibt es dabei ein Problem: Photonen sind sehr flüchtig und gehen auf dem Weg leicht verloren, womit auch die in ihnen gespeicherte Quanteninformation verschwindet.

"Anfang der 90er Jahre haben Charles Bennet, Gilles Brassard und Kollegen eine elegante Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, die eine verlustfreie Übertragung der Quanteninformation ermöglicht: die Quantenteleportation", erklärt Professor Gerhard Rempe, Leiter der Gruppe Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. "Aber die Quantenteleportation ist schwierig", fügt er hinzu, "sie erfordert, dass man im Voraus zwei verschränkte Teilchen hat, die als Ressource für die Teleportation dienen. Diese Ressource ist in der Regel nicht einfach herzustellen und erfordert daher Aufwand". Stephan Welte, Stefan Langenfeld und ihre Kollegen aus der Gruppe von Prof. Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben sich deswegen gefragt, wie es möglich wäre, die Quantenteleportation mit einer leichter verfügbaren Ressource, nämlich nur einem einzigen Photon als Hilfsteilchen, zu realisieren.

Völlig neuartige Methode der Quantenteleportation

Experimenteller Aufbau zur Quantenteleportation.

Um dies zu erreichen, nutzen die Wissenschaftler einzelne gekühlte Atome und die Prinzipien der Resonator-Quantenelektrodynamik um ein völlig neuartiges Verfahren zur Quantenteleportation zu demonstrieren. Dieses Verfahren ermöglicht es, mit nur einem einzigen Photon, den Spinzustand eines einzelnen atomaren Qubits auf ein zweites Atom in 60m Entfernung zu teleportieren, ohne dass dabei die Quanteninformation verloren geht. Die Teleportation setzten die Wissenschaftler folgendermaßen um (siehe Abbildung): Es gibt ein Qubit, das teleportiert werden soll. Dieses Qubit ist ein einzelnes Atom (a), gefangen in einem optischen Resonator. 60 Meter weiter in einem Nachbarlabor gibt es ein zweites Atom (b), ebenfalls in einem Resonator. Ziel ist, Information von einem Atom (a) auf das andere (b) zu übertragen. Die Wissenschaftler reflektieren dazu ein Photon nacheinander an den zwei Resonatoren, in denen sich die beiden Atome befinden. Das Photon fliegt dabei durch eine Glasfaser, die an die beiden Resonatoren angeschlossen ist. Dann erfolgt eine Messung des Photons und des Spinzustands von Atom (a). Anschließend wird ein Feedback-Signal basierend auf den beiden Messungen an das Atom (b) gesendet. Dieses Feedback-Signal ist ein Laserpuls der auf Atom (b) eingestrahlt wird und dessen Eigenschaften von der Messung des Photons und der des Atoms (a) abhängen.

Dieses Protokoll erlaubt es, die Information von einem Atom auf das andere zu teleportieren. Die Verschränkung der beiden Atome entsteht ohne Aufwand, sozusagen als natürlicher Nebeneffekteffekt.

Konzeptionell einfach, aber sehr elegant

Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des Experiments. Die beiden Atome (hellblau dargestellt und mit (a) und (b) bezeichnet) befinden sich in zwei Resonatoren. Das einzelne Photon (rote Welle) wird von links nach rechts geschickt, an den beiden Resonatoren reflektiert und dann mit einem Detektor (halbkreisförmiges Symbol) gemessen. Das Feedbacksignal (dargestellt durch den Doppelpfeil) auf das linke Atom ermöglicht dann die Teleportation vom rechten Atom auf das linke.

Quantenteleportation ist kein neues Phänomen, sie wird bereits seit den späten 90er Jahren experimentell realisiert. In diesem Experiment gelang es jedoch zum ersten Mal, eine Quantenteleportation mit nur einem einzigen Photon als Ressource durchzuführen. Ein einzelnes Photon ist die absolute Mindestressource, weshalb nun der Informationstransfer mit einfachsten Mitteln zu bewerkstelligen ist. „Es ist ein konzeptionell einfaches und sehr elegantes Experiment, das auch in der Praxis hervorragend funktioniert“, freut sich Postdoktorand Stephan Welte. 

Von besonderer Bedeutung ist es, dass sich die verwendeten physikalischen Prinzipien auf vielen experimentellen Plattformen anwenden lassen. „Somit könnte das gezeigte Protokoll auch mit skalierbaren Festkörpersystemen umgesetzt werden, die derzeit in vielen Laboren weltweit entwickelt werden“, ergänzt Doktorand Stefan Langenfeld. Diese Plattform könnte die massenweise preiswerte Herstellung von Atom-Resonator Systemen ermöglichen, was für spätere Anwendungen in einem großflächigen Quantennetzwerk von großer Bedeutung wäre.

Nun planen die Wissenschaftler, das Experiment zu erweitern. „Als nächstes wollen wir mehrere Atome in jedem der Resonatoren fangen, die dann alle die Rolle von Qubits übernehmen können und einen vielseitigen Knoten in einem Quantennetzwerk bilden“, sagt Postdoktorand Emanuele Distante, der ebenfalls am Experiment beteiligt war. In einer Netzwerkarchitektur aus vielen solcher Knoten stellt das neuartige Teleportationsprotokoll ein äußerst nützliches Werkzeug dar. Mit Hilfe dieses Werkzeugs wäre es dann möglich, Quanteninformation zwischen verschiedenen Knoten eines größeren Quantennetzwerks auszutauschen.

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