https://www.faz.net/-gwz-8jqdl

Bauteil für Quantencomputer : Zwei Lichtquanten üben das Rechnen

Funktioniert nur in Fantasy-Filmen: Zwei sich kreuzende Laserschwerte Bild: dpa

Forscher haben ein Bauteil ersonnen, das elementare logische Operationen mit Lichtteilchen ausführt. Der Computer von morgen könnte mit Photonen arbeiten – doch es gibt noch Probleme.

          5 Min.

          Wenn sich Jedi-Krieger und Sith-Kämpfer mit ihren gleißenden Lichtschwertern duellieren, schlagen die Herzen vieler „Star-Wars“-Fans höher. Aber was auf der Kinoleinwand ohne weiteres zu funktionieren scheint, will in der realen Welt nicht gelingen. Selbst wenn sie sich kreuzen und mehrfach durchdringen, Lichtstrahlen können sich im freien Raum nicht gegenseitig beeinflussen, auch wenn sie noch so intensiv sind.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der Grund: Lichtteilchen (Photonen) haben keine Ladung und können dadurch nicht über elektromagnetische Kräfte miteinander wechselwirken. Und doch suchen Forscher nach Wegen, zwei oder mehrere Lichtquanten gezielt miteinander wechselwirken zu lassen.

          Schließlich wäre das eine wichtige Voraussetzung dafür, Photonen nicht nur zur Übertragung von Quanteninformationen zu nutzen, sondern auch zu deren Verarbeitung, etwa in einem Quantencomputer oder in Quantennetzwerken.

          Gefangenes Atom als Mittler

          Physiker vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben nun eine elegante Möglichkeit aufgetan, wie zwei Photonen miteinander in Kontakt treten und ihre mitgeführten Quanteninformationen verarbeiten können. Ihr Trick: Sie nutzen als Mittler ein einzelnes Atom, das in einem Hohlraumresonator gefangen ist. Auf diese Weise haben sie sogar einen logischen Baustein für einen Quantenprozessor verwirklicht.

          Die Forscher um Stephan Ritter und Gerhard Rempe haben für ihre Versuche ein einzelnes Rubidiumatom verwendet, das sie zwischen zwei kleinen, hochreflektierenden Spiegeln eines halben Millimeter langen optischen Resonators sperrten. Atom und Resonator bildeten ein stark gekoppeltes System. Anschließend wurden nacheinander zwei polarisierte Lichtteilchen (Photonen) in Richtung Resonator mit der Absicht geschickt, dass sie sich über das eingesperrte Atom gegenseitig beeinflussen.

          Zwei Lichtteilchen treten in Kontakt

          In früheren Experimenten hat man bereits gezeigt, dass ein in einem Resonator gefangenes Rubidiumatom sich hervorragend als elementarer Quantenspeicher eignet. Quanteninformationen, die etwa in der Schwingungsrichtung, also der Polarisation, von Photonen kodiert sind, lassen sich auf das Atom übertragen, speichern und nach einer gewissen Zeit wieder abrufen. Ähnliche Fähigkeiten waren auch beim jüngsten Vorhaben gefragt.

          Das erste eintreffende Lichtteilchen wurde so am gekoppelten System aus Atom und Resonator reflektiert, dass es mit dem gefangenen Rubidiumatom in Wechselwirkung trat, ohne von ihm absorbiert zu werden. Als kurze Zeit später das zweite Lichtteilchen eintraf und ebenfalls mit dem Atom interagierte, spürte es noch den Einfluss des ersten Photons.

          Daraufhin wirkte sich der Schwingungszustand des ersten Photons auf den ursprünglichen Polarisationszustand des zweiten Photons aus. Auf diese Weise bekamen die beiden Lichtteilchen - wenn auch nur auf indirekte Weise - miteinander Kontakt. Allerdings nur in eine Richtung.

          Das universelle Quantengatter:  Zwei Photonen (rechts) wechselwirken miteinander, indem sie ein Atom in einem Resonator als Vermittler verwenden. Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Atom mit einem Laser festgehalten wird.
          Das universelle Quantengatter: Zwei Photonen (rechts) wechselwirken miteinander, indem sie ein Atom in einem Resonator als Vermittler verwenden. Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Atom mit einem Laser festgehalten wird. : Bild: Stephan Welte / MPI für Quantenoptik

          Nun galt es, aus der einseitig orientierten Beziehung der beiden Photonen auch eine echte Wechselbeziehung zu machen. Dazu musste sich die Polarisation des zweiten Lichtteilchens auch beim ersten Photon bemerkbar machen. Zu diesem Zweck schickte man die beiden Lichtteilchen, nach dem sie jeweils am verspiegelten Resonator reflektiert worden waren, durch ein 1,2 Kilometer langes Glasfaserkabel. In dem Lichtwellenleiter waren die Photonen gut sechs Mikrosekunde lang unterwegs - ausreichend Zeit für den nächsten Schritt.

          Seltsame Fernwirkung in einer Glasfaser

          Während die beiden Lichtteilchen in der Faser gespeichert waren, unterzogen die Forscher das Rubidiumatom im Resonator einer Messung, um dessen Zustand zu ermitteln. Abhängig vom Ergebnis der Messung, wurde die Polarisationsrichtung des ersten Photons entsprechend verändert, nach dem dieses den Lichtleiter verlassen hatte.

          Weitere Themen

          Warum Maschinen besser abschreiben

          FAZ Plus Artikel: KI und Plagiate : Warum Maschinen besser abschreiben

          Künstliche Intelligenz kann helfen, Plagiate zu entlarven oder sie noch raffinierter machen. Es droht ein Wettrüsten im maschinellen Abschreiben. Dabei könnten die Maschinen noch viel mehr: Forschung betreiben und Bücher schreiben.

          Topmeldungen

          Der Finanzminister nutzt die Bühnen, die sich ihm bieten: Anfang Juli posierte Olaf Scholz vor dem Kapitol in ­Washington.

          Kanzlerkandidat Scholz : Der Mann mit dem Geld

          Schon viele Finanzminister wollten Kanzler werden. Geklappt hat es erst einmal. Ganz abwegig erscheint es nicht mehr, dass Olaf Scholz es schaffen könnte.
          Raus mit dem giftigen Schlamm: In diesem Hotel in Altenahr packen Freiwillige vom Helfer-Shuttle und Bundeswehrsoldaten gemeinsam an.

          Als Helfer im Flutgebiet : Wer hier war, findet keine Ruhe mehr

          Keller trocken legen, Müll wegschaffen und immer dieser Schlamm: Anstatt in den Urlaub zu fahren, ist unser Autor ins Ahrtal gereist. Freiwillige Helfer werden dort nach wie vor gebraucht. Aber es gibt auch Spannungen – mit der Polizei.
          Knöllchen werden in Innenstädten deutlich teurer.

          Hanks Welt : Knöllchen dürfen wehtun, nicht aber arm machen

          Der neue Bußgeldkatalog wird Falschparkern das Leben künftig zur Geldbeutel-Hölle machen. In den Städten wird es jetzt nämlich richtig teuer. Doch was sollte ein Knöllchen überhaupt kosten?

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.