14.11.2007 · Bisher nur Theorie: Ein funktionierender Quantencomputer. Doch amerikanische Forscher sind diesem Ziel nun einen Schritt näher gekommen. Über den Austausch von Lichtteilchen lassen sich nun auch weit entfernte Ionen miteinander verschränken.
Von Manfred Lindinger
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Albert Einstein hätte gestaunt über diese „geisterhafte Fernwirkung”
Zwei positiv geladene Ionen lassen sich selbst dann in einen verschränkten Quantenzustand überführen, wenn sie einen Meter weit voneinander entfernt sind. Dieses Kunststück, das bisher nur bei einem Teilchenabstand von wenigen Mikrometern möglich war, ist kürzlich Forschern der University of Michigan in Ann Arbor mit einem ausgeklügelten Verfahren gelungen. Zwei verschränkte Ytterbium-Ionen, die an zwei verschiedenen Orten mit elektrischen Feldern in der Schwebe gehalten wurden und keinen direkten Kontakt miteinander hatten, verhielten sich wie ein einheitliches Quantensystem.
Wurde der Zustand des einen Ions gemessen, stand augenblicklich auch der Zustand des einen Meter weit entfernten Partners fest. Um die zwei geladenen Teilchen über einen so großen Abstand hinweg in jenen Quantenzustand befördern zu können, den Albert Einstein wegen seiner Seltsamkeit einst als geisterhafte Fernwirkung bezeichnete, mussten Christopher Monroe und seine Kollegen alle Register der Experimentierkunst ziehen.
Lichtquanten miteinander verschränken
Die Forscher setzten die beiden Ionen zunächst identischen Laserpulsen aus, die die geladenen Ytterbium-Atome in genau definierte angeregte Energiezustände brachten. Diese zerfielen kurz darauf wieder, wobei zwei charakteristische Photonen ausgesandt wurden. Jedes repräsentierte den Zustand desjenigen Ions, von dem es ursprünglich stammte. Das hatte zur Folge, dass das Ion und das entsprechende Photon ein gemeinsames Quantensystem bildeten und somit miteinander verschränkt waren.
Über Linsen und Glasfasern wurden die ausgesandten Lichtquanten anschließend an einen Ort - etwa in der Mitte der beiden Ionenfallen - transportiert, dort zusammengeführt und dann mit einem Strahlteiler zur Überlagerung gebracht. Auf diese Weise gelang es, die beiden Photonen und damit letztlich die beiden Ytterbium-Ionen, von denen die Lichtquanten stammten, miteinander zu verschränken.
Quantenbits statt binärer Bits
Die Fernwirkung wurde deutlich, als die Forscher die Eigenschaften - etwa den Polarisationszustand - eines Photons überprüften. Instantan lagen der Schwingungszustand des zweiten Photons und auch die Zustände der beiden Atome fest, so wie es für verschränkte Quantensysteme typisch ist („Nature“, Bd. 449, S. 68).
Die Versuche von Monroe und seinen Kollegen sind ein weiterer Schritt hin zu einem funktionierenden Quantencomputer, jener Rechenmaschine, die statt binärer Bits sogenannte Quantenbits als Informationseinheit nutzt und deshalb eine große Zahl von Rechenoperationen parallel ausführen kann. Da Atome oder Ionen als Träger von Quantenbits in Frage kommen, könnten Quanteninformationen dank des Verfahrens der amerikanischen Forscher prinzipiell nun auch über größere Distanzen ausgetauscht werden.
