Weg zu Teleportation: Photonen aus inkompatiblen Welten verschränkt
Beim Internetsurfen verbindet ein Modem die Kupferleitungen im Haushalt mit den Glasfaserleitungen des Anbieters. Einem ähnlichen Werkzeug für die Quantenwelt sind österreichische Forscher einen Schritt näher gekommen: Sie haben zwei bisher inkompatible Bereiche verknüpft und erstmals optische und Mikrowellenphotonen verschränkt. Das ist die Voraussetzung für die Übertragung von Quanteninformationen mittels Teleportation und könnte Grundlage für ein Quantennetzwerk werden.
Das Wichtigste in Kürze
- «Der Vorteil von Mikrowellenphotonen ist, dass sie kompatibel mit supraleitenden Schaltkreisen sind, die in Gigaherz-Frequenzen wie das Mobiltelefon arbeiten.
Die können direkt miteinander sprechen«, erklärte Johannes Fink vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gegenüber der APA.
Im Gegensatz zum Mobiltelefon muss im Quantenbereich über einzelne optische Photonen kommuniziert werden. Diese haben aber etwa 20'000 Mal mehr Energie als Mikrowellenphotonen und würden deren Quanteneigenschaften zerstören. «Im Prinzip sind die zwei Welten inkompatibel», so Fink. Deshalb brauche es ein Äquivalent zu einem Glasfasermodem.
Dazu ist es notwendig, die Mikrowellenphotonen mit den optischen Photonen interagieren zu lassen und sie zu verschränken. Bei der Verschränkung, einem Phänomen der Quantenphysik, bleiben die Teilchen über beliebige Distanzen miteinander verbunden.
In der aktuellen Studie, die kürzlich im Fachjournal «Science» veröffentlicht wurde, gelang es gemeinsam mit Kollegen von der Technischen Universität (TU) Wien und der TU München mithilfe einer besonderen elektrooptischen Vorrichtung nun erstmals ein optisches Photon in ein Paar neuer verschränkter Photonen aufzuspalten: ein optisches Photon mit nur etwas weniger Energie als das ursprüngliche Photon und ein Mikrowellenphoton mit viel geringerer Energie, das mit elektrischen Schaltkreisen kompatibel ist.
«Wir sind die ersten, die Photonen mit so unterschiedlichen Energieskalen verschränken konnten», so Fink. Der verschränkte Quantenzustand ist die Voraussetzung, um beispielsweise über Teleportation eine Verbindung herzustellen und in weiterer Folge supraleitende Quantencomputer bei Raumtemperatur zusammenzuschalten. «Der nächste Schritt wäre, dass wir dieses Mikrowellenphoton direkt mit einem supraleitenden Qubit (die grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers; Anm.) interagieren lassen und dann den Zustand des Qubit auf das optische Photon teleportieren. Wir stellen damit erstmals eine quantenmechanische Verbindung zwischen diesen zwei Frequenzbereichen her», sagte Fink.
https://doi.org/10.1126/science.adg3812
