'Fliegende' photonische Quantenbits können in dichten Atomwolken effizient gespeichert werden. Allerdings werden dabei die absorbierten Photonen in delokalisierte Zustände umgewandelt, was die Weiterverarbeitung erschwert. Physiker aus Innsbruck, Oxford, Singapur und Harvard schlagen nun ein neuartiges Konzept vor: sogenannte „Quantenspin-Linsen“, die delokalisierte Anregungen auf einzelne Atome fokussieren. Damit können „fliegende“ Quantenbits mit den bereits weit entwickelten Quantencomputern weiterverarbeitet werden.
Lichtteilchen gelten als perfekte Kandidaten für schnelle und verlässliche Quantenkommunikation über große Distanzen. Es stellt allerdings eine große Herausforderung dar, solche 'fliegenden' (photonischen) Quantenbits in stationäre (atomare) Quantenbits umzuwandeln. Eine Möglichkeit ist die Verwendung dichter Atomwolken, in denen die Photonen mit hoher Wahrscheinlichkeit absorbiert werden. Allerdings wird die Information dabei in delokalisierten Zuständen gespeichert, was die für die weitere Verarbeitung notwendige lokale Manipulation erschwert. „Das ultimative Ziel ist es, 'fliegende’ Qubits mit hoher Effizienz in einem einzelnen Atom zu speichern und dann mit den vorhandenen, weit entwickelten Tools zu verarbeiten“, erklärt Alexander Glätzle, der an der Universität Oxford forscht.
Ein neues Licht-Materie-Interface
Die Forscher um Alexander Glätzle, Kilian Ender und Peter Zoller haben nun eine elegante Lösung vorgeschlagen, mit der delokalisierte Quantenbits in lokalisierte Quantenbits umgewandelt werden können. Dazu haben sie Spin-Hamiltonians identifiziert, die als 'Quantenspin-Linsen' fungieren. Auf diese Weise können delokalisierte Spinanregungen – ähnlich wie bei optischen Linsen – am Ende kohärent auf einzelne Atome fokussiert werden. Als neues Quanteninterface für Licht und Materie ist dieses Konzept von großem Interesse und könnte zum Beispiel in der Quanten-Spintronic eingesetzt werden, um eine kohärente Spin-Übertragung zu erzielen.
Das internationale Forscherteam aus Innsbruck, Oxford, Singapur und Harvard hat diese Quantenlinsen in enger Analogie zu optischen Linsen entwickelt: „Typischerweise bestehen optische Linsen aus einem transparenten Material, das eine einfallende Wellenfront proportional zur Dicke der Linse verzögert“, erklärt Kilian Ender aus Pder Arbeitsgruppe um Peter Zoller. „Dies erlaubt es, einen durch die Linse fallenden Lichtstrahl auf einen Brennpunkt in einiger Entfernung von der Linse zu fokussieren.“ Eine 'Quantenspin-Linse' ahmt das lichtbrechende Material der optischen Linse nach, indem es eine positionsabhängige Energieverschiebung auf den atomaren Spins implementiert. Dies ermöglicht es, fliegende Quantenbits in einer atomaren Matrix zu speichern und in einem Quantenregister aus räumlich lokalisierten Spin-Qubits aus einzelnen Atomen zu fokussieren. „Ein seit langem verfolgtes Ziel in der Quantenoptik und Photonik ist eine starke und nichtlineare Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen zu generieren“, erklärt Alexander Glätzle. „Die Möglichkeit, solche Wechselwirkungen nun künstlich zu erzeugen, hätte tiefgreifende Konsequenzen nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die angewandte Forschung.“