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Quantenphysik: Festplatte für Photonen

Foto: University of Calgary / Riley Brandt

Quantentechnologie Physiker bauen Photonenknast

Wissenschaftler haben ein wichtiges Quantenproblem gelöst. Sie haben einzelne Lichtteilchen in Kristallen gespeichert. Die Methode könnte den Weg zur sogenannten Quantenkommunikation ebnen, die einen entscheidenden Vorteil hat: Sie ist absolut abhörsicher.

"Spukhafte Fernwirkung" nannte Einstein eines der seltsamsten Phänomene, das die Physik zu bieten hat. Zwei Teilchen können miteinander "verschränkt" sein, was bedeutet: Egal, wie weit sie voneinander entfernt sind, ihr Zustand gleicht sich. Ändert sich bei einem Teilchen etwas, passiert das gleiche beim anderen.

Vergleichbar wäre das mit zwei Würfeln, die immer dieselbe Augenzahl anzeigen - selbst wenn sie auf verschiedenen Kontinenten liegen. Wirft man mit dem einen eine Sechs, liegt diese auch beim anderen oben. In der Quantenwelt geschieht dieser schwer vorstellbare Datenabgleich auch noch unglaublich schnell - der Informationsaustausch zwischen zwei verschränkten Photonen vollzieht sich mit mindestens 10.000-facher Lichtgeschwindigkeit, wie Physiker 2008 nachwiesen.

Obwohl das Phänomen kaum fassbar ist, könnte es die Basis neuer Technologien bilden - von Quantenkommunikation oder Quantencomputern etwa. So ermöglicht beispielsweise die Quantenkryptografie schon heute, verschlüsselte Informationen so zu übertragen, dass sie niemand abhören kann. Falls jemand die Photonen abfängt und kopiert, verändert er sie - und das würde der Empfänger merken. Quantencomputer wiederum könnten bestimmte Rechenaufgaben deutlich effizienter lösen als die herkömmlichen Geräte.

Bevor Quantentechnologie außerhalb von Laboren stärker zum Einsatz kommt, müssen Physiker aber noch einige Probleme lösen. Eines davon lautet: Wie und wo speichert man die verschränkten Teilchen, die die Information enthalten?

Jetzt melden Forscherteams in zwei Aufsätzen  im Fachmagazin "Nature"  , dass sie einen Schritt weitergekommen sind, das seltsame Phänomen nutzbar zu machen. "Wir haben, wenn man es mit einem Computer vergleichen will, eine Art Festplatte für Quanteninformationen erprobt", sagt Wolfgang Tittel von der University of Calgary, einer der beteiligten Physiker. Ihnen ist es gelungen, ein Photon kurzzeitig in einem Speicher einzufangen und wieder austreten zu lassen, ohne dass die Verschränkung des Lichtteilchens verloren ging. "Damit haben wir auch gezeigt, dass die Verschränkung viel robuster ist, als lange angenommen."

Noch hapert es an der Effizienz

Das Neue daran: Sie nutzten im Gegensatz zu früheren Experimenten kein extrem abgekühltes Gas als Speichermedium, sondern einen Kristall. "Das ist wesentlich praktikabler", erklärt Tittel. "Genau wie eine Festplatte sollte man sich diese Kristalle allerdings nicht vorstellen", warnt Wolfgang Sohler, dessen Arbeitsgruppe in Paderborn den Speicher hergestellt hat. "Er kann einzelne Photonen speichern, aber nur für einen bestimmten, sehr kurzen Zeitraum."

Momentan liegt der im Bereich von Nanosekunden - für eine praktische Anwendung wären allerdings schon Millisekunden ausreichend. Zur Speicherung werden die Photonen in einen sogenannten Wellenleiter im Kristall gelenkt. Der ist mit einem Querschnitt von zwei mal drei Mikrometern feiner als ein menschliches Haar. Darin enthaltene Thulium-Ionen sorgen dafür, dass der Kristall die Lichtteilchen kurzzeitig aufnehmen und wieder abgeben kann. Damit das Speichern funktioniert, muss der Kristall allerdings stark abgekühlt werden: auf etwa 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist zwar aufwendig - "aber nicht kompliziert", betont Tittel. Theoretisch könnten solche Kristalle auch als Speicher von Quantencomputern dienen.

Noch hapert es bei der Quantenkommunikation jedoch an der Effizienz. "Zurzeit gehen bei der Übertragung über Telekommunikationskabel pro zehn Kilometer Strecke rund 50 Prozent der Photonen verloren", sagt Tittel. "Und der Verlust beim Speichern ist noch viel größer", ergänzt Sohler.

Tittels Arbeitsgruppe visiert bereits das nächste Ziel an: Quanteninformation in einen Kristall hinein zu teleportieren. Dafür müsse man zwei Photonen verschränken. Eines wird gespeichert, das zweite dann dazu gebracht, mit einem dritten zu reagieren. Passiert das, müsste das gespeicherte Photon den Zustand von Nummer drei übernehmen. So könnte Information über große Strecken verlustfrei in den Speicher übertragen werden.

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