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Durchbruch bei Quantenteleportation: Quantenbits auf Knopfdruck übertragen

Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist. Quelle: University of Tokyo
Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist.
Quelle: University of Tokyo

Mithilfe quantenmechanischer Verschränkung räumlich getrennter Lichtfelder ist es Wissenschaftlern aus Tokio und Mainz gelungen, photonische Quantenbits außerordentlich zuverlässig zu teleportieren. Rund 15 Jahre nach den ersten Versuchen auf dem Gebiet der optischen Teleportation ist damit ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Der Erfolg des in Tokio durchgeführten Experiments beruht auf einer Hybridtechnik, bei der zwei konzeptionell verschiedene, bisher unvereinbare Ansätze verknüpft werden. „Diskrete, digitale optische Quanteninformation kann dabei kontinuierlich und damit sozusagen auf Knopfdruck übertragen werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Van Loock hat als Physik-Theoretiker die experimentellen Physiker um Akira Furusawa von der Universität Tokio beraten, wie sie den Teleportationsversuch am effizientesten durchführen und eine erfolgreiche Quantenteleportation letztlich auch verifizieren können. Die Forschungsarbeiten wurden in dem renommierten Fachmagazin Nature am 15. August 2013 veröffentlicht.

Die Quantenteleportation ermöglicht den Transfer von beliebigen Quantenzuständen von einem Sender, als Alice bezeichnet, zu einem räumlich entfernten Empfänger, genannt Bob. Voraussetzung ist, dass sich Alice und Bob zunächst einen verschränkten Quantenzustand, z.B. in Form von verschränkten Photonen, über die Distanz teilen. Die Quantenteleportation ist von fundamentaler Bedeutung für die Verarbeitung von Quanteninformation (Quantencomputing) und die Quantenkommunikation. Insbesondere für die Quantenkommunikation gelten Photonen als optimale Informationsträger, da sie eine Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Mit einem Photon kann man ein Quantenbit oder Qubit darstellen – analog zu einem Bit in der klassischen Informationsverarbeitung. Man spricht dann von „fliegenden Quantenbits“.

Erste Versuche zur Teleportation von einzelnen Photonen, die auch als Lichtteilchen bezeichnet werden, gehen auf den Wiener Physiker Anton Zeilinger zurück. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Experimente durchgeführt, allerdings stieß die Teleportation eines photonischen Quantenbits mithilfe der herkömmlichen Methoden aufgrund von experimentellen Unzulänglichkeiten und grundsätzlichen Prinzipien an Grenzen.

Der Schlüssel für das Experiment in Tokio ist eine Hybridtechnik. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, experimentell eine vollkommen deterministische Quantenteleportation von photonischen Qubits zu erzielen, bei der die Teleportation mit außerordentlich hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Die Genauigkeit der Übertragung liegt bei 79 bis 82 Prozent für vier unterschiedliche Qubits. Außerdem konnten die Qubits selbst bei einem geringen Grad der Verschränkung wesentlich effizienter teleportiert werden als in früheren Experimenten.

Verschränkung-on-Demand durch Lichtquetschung

Der Begriff der Verschränkung geht auf Erwin Schrödinger zurück und bezeichnet den Befund, dass zwei Quantensysteme, beispielsweise zwei Lichtteilchen, einen gemeinsamen Zustand einnehmen und in ihrem Verhalten auf stärkere Weise voneinander abhängen als es klassisch möglich ist. Bei dem Tokioter Experiment wurde durch die Verschränkung von vielen Photonen mit vielen Photonen eine kontinuierliche Verschränkung erzeugt, bei der nicht nur einzelne wenige Lichtteilchen, sondern die kompletten Amplituden und Phasen zweier Lichtfelder miteinander quantenkorreliert sind. Bisherige Experimente hatten dagegen jeweils nur ein einzelnes Photon mit einem anderen einzelnen Photon verschränkt – eine weniger effiziente Lösung. „Die Verschränkung von Photonen hat in dem Tokio-Experiment sehr gut funktioniert – praktisch auf Knopfdruck, sobald der Laser eingeschaltet wurde“, beschreibt van Loock, Professor für Theorie der Quantenoptik und Quanteninformation, den Versuch. Erreicht wurde diese kontinuierliche Verschränkung durch sogenanntes gequetschtes Licht, das im Phasenraum des Lichtfeldes die Form einer Ellipse annimmt. Ist die Verschränkung erzeugt, kann ein drittes Lichtfeld beim Sender angeheftet werden. Von dort können dann im Prinzip beliebige und beliebig viele Zustände an den Empfänger übertragen werden. „In unserem Experiment waren es genau vier ausreichend repräsentative Testzustände, die unter Benutzung der Verschränkung von Alice übermittelt wurden und bei Bob entsprechende Zustände erzeugt haben. Dank der kontinuierlichen Verschränkung ist es möglich, dass die photonischen Qubits deterministisch, also bei jedem Versuch, zu Bob übertragen werden“, ergänzt van Loock.

Frühere Experimente zur optischen Teleportation waren unterschiedlich angelegt und bis heute inkompatibel. Von physiktheoretischer Seite wurde zwar angenommen, dass die beiden unterschiedlichen Ansätze, die diskrete und die kontinuierliche Welt, zu verbinden sind. Dass es nun im Experiment mit der Hybridtechnik tatsächlich gelungen ist, stellt einen technologischen Durchbruch dar. „Jetzt nähern sich die beiden Welten an“, so van Loock.
( Quelle: idw. Veröffentlichung: Shuntaro Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature, 15. August 2013. DOI: 10.1038/nature12366)
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Einzigartiger Blick in bisher unbekannte Bereiche der Quantenwelt

Blick in das Herzstück des Elektronenmikroskops
Foto: QUANTUM, Universität Mainz

Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten erstmals Verteilung einzelner Atome im Bose-Einstein-Kondensat abbilden / Veröffentlichung in Nature Physics

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, erstmals die räumliche Verteilung einzelner Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat sichtbar zu machen. Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um kleine, sehr kalte Gaswolken, die aufgrund ihrer niedrigen Temperaturen nicht mehr durch die klassische Physik, sondern mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden müssen. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden 1995 von Eric A. Cornell, Carl E. Wieman und Wolfgang Ketterle erzeugt, die dafür bereits sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielten. Seither sind diese einzigartigen Gaswolken, die kältesten von Menschen erzeugten Objekte überhaupt, weltweiter Forschungsgegenstand.

Physiker um Dr. Herwig Ott von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM), haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der einzelne Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat abgebildet werden können. Darüber hinaus übertrifft die erreichte räumliche Auflösung der Darstellung alle bisherigen Methoden um ein Vielfaches. Die Forschungsergebnisse der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Physik wurden unter dem Titel “High-resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas” in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Möglich wurde dieser Durchbruch durch den Einsatz eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops (REM), das mithilfe eines sehr feinen Elektronenstrahls die ultrakalte Atomwolke abtastet und so auch kleinste Strukturen sichtbar macht. “Die Übertragung der Elektronenmikroskopie auf ultrakalte Gase war ein technisches Wagnis”, berichtet Dr. Herwig Ott, Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe, “denn hier mussten zwei sehr unterschiedliche Techniken zusammengeführt werden.” Hinzu kommt, dass sich Atome und Moleküle anders als in Festkörpern in Gasen vollkommen frei und ungeordnet durcheinander bewegen. Ein weiterer Vorteil dieses hochentwickelten Mikroskopieverfahrens besteht in der besseren räumlichen Auflösung im Vergleich zu optischen Verfahren, bei denen das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt ist. “Mit 150 nm Auflösung sind wir in der Lage, etwa 10mal genauer in diese Quantenobjekte hineinzublicken, als es uns bisher möglich war”, so Ott.

Ähnlich wie durch die Elektronenmikroskopie bisher unbekannte Bereiche unserer Welt für den Betrachter erkennbar wurden, eröffnen sich durch die in Mainz entwickelte Technik einzigartige Möglichkeiten, die mikroskopische Struktur der Quantengase zu untersuchen. Einen ersten wichtigen Meilenstein können die Mainzer Physiker bereits vorweisen: Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines sogenannten optischen Gitters sichtbar zu machen. Optische Gitter sind Interferenzmuster aus Laserstrahlen, die auf die Atomwolke eingestrahlt werden und dieser ihre periodische Struktur aufzwingen. Dabei entstehen kristallähnliche Gebilde. Das Interessante dabei ist, dass die Bewegung der Atome eines Quantengases in einem optischen Gitter dem Verhalten von Elektronen in Festkörpern ähnelt. Quantengase sind daher in der Lage, die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu simulieren und können so auch zur Klärung noch offener Fragestellungen in der Festkörperphysik beitragen. (Quelle: idw)