Eine kohärente Überlagerung aus Photonen kann als Speicher für Quanteninformation genutzt werden. Forscher der Yale University haben nun gemeinsam mit dem Innsbrucker Physiker Gerhard Kirchmair ein Verfahren erprobt, mit dem in einem solchen Speicher der Verlust einzelner Photonen gemessen werden kann, ohne dass dabei die Quanteninformation zerstört wird.
Hohlraumresonatoren bieten gute Möglichkeiten für die Verarbeitung von Quanteninformation. So lässt sich in einem solchen Resonator eine Vielzahl von Photonen in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand versetzen. Dieser Zustand kann sehr gut gemessen und kontrolliert werden. Das hat eine Forschergruppe um Robert Schoelkopf von der Yale University erst vor kurzem in einem Experiment gezeigt. Die Physiker koppelten dazu die Mikrowellen-Photonen im Hohlraumresonator an ein Quantenbit, das sie mit einem sogenannten Josephson-Kontakt realisiert haben. Die Photonen selbst befanden sich in einem Schrödinger-Katzen-Zustand, den man als Speicher für ein Quantenbit verwenden kann.
Die Forscher um Schoelkopf und Gerhard Kirchmair vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben nun ein Verfahren erprobt, um mögliche Fehler im Quantenspeicher aufzuspüren. „Es können uns in diesem Speicher einzelne Photonen verloren gehen“, erklärt Kirchmair. „Weil jede direkte Messung die im Quantensystem gespeicherte Information aber zerstören würde, brauchen wir ein Verfahren, das dieses Problem umgeht und den Photonen Verlust erkennt.“ Genau dies ist den Forschern nun gelungen, indem sie die sogenannte Parität, eine physikalische Symmetrieeigenschaft, des Schrödinger-Katzen-Zustandes gemessen haben. „Wenn die Katze aus einer Überlagerung einer geraden Anzahl von Photonen besteht, ist der Wert der Parität +1. Handelt es sich um eine ungerade Anzahl von Photonen ist der Wert -1.“ Geht ein Photon im Experiment verloren, ändert sich die Wert der Parität von +1 auf -1 oder umgekehrt. „Durch diese Messung erhalten wir eine Information darüber, ob ein Fehler passiert ist. Sie sagt uns aber nicht, in welchem Zustand sich das Quantenbit in der Schrödinger-Katze befindet“, sagt Gerhard Kirchmair. „Deswegen können wir diese Messung machen, ohne dabei die Quanteninformation zu zerstören.“ Die Fehlerinformation ergibt sich dabei nicht aus einer Mittelung von Messergebnis. „Jede einzelne Messung liefert ein eindeutiges Signal, ob ein Photon aus dem Resonator verschwunden ist“, sagt der Experimentalphysiker.
Mit diesem nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Verfahren können die Physiker nur feststellen, ob ein Fehler passiert ist. Nun arbeiten sie daran, einen solchen Fehler auch zu korrigieren und damit die Quanteninformation im Speicher dauerhaft zu erhalten.