Ultradünne Glasfaser ermöglicht kontrollierte Kopplung von Licht und Materie

Quanten-Schnittstelle

Mainz - Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben eine Quanten-Schnittstelle geschaffen, die eine Brücke zwischen Lichtteilchen und Atomen bildet. Die Schnittstelle besteht aus einer ultradünnen Glasfaser und eignet sich zur Übertragung von Quanteninformationen. Dies sei eine wesentliche Voraussetzung für die Quantenkommunikation, so die Forscher. Mit Quantenkommunikation wird eine sichere Datenübermittlung mittels Quantenkryptographie angestrebt. „Unsere Quanten-Schnittstelle könnte aber auch für die Realisierung eines Quantencomputers von Nutzen sein“, so Projektwissenschaftler Arno Rauschenbeutel.

Mit Quantenkryptographie ist vom Prinzip her eine vollständig abhörsichere Kommunikation möglich. Um das volle Potenzial der Quantenkommunikation auszuschöpfen, benötigt man die Möglichkeit, die in den einzelnen Photonen kodierte Quanteninformation zu speichern. Photonen - Lichtteilchen - selbst eignen sich hierfür nicht, da man sie nicht an einem Ort festhalten kann. Die Quanteninformation muss also auf Atome übertragen werden. Hierfür benötigt man eine Quanten-Schnittstelle zwischen Photonen und Atomen, die idealerweise auch noch mit dem Einsatz in Glasfasernetzwerken kompatibel ist.

Eine Gruppe von Physikern um Arno Rauschenbeutel von der Uni Mainz hat nun eine solche Glasfaser-basierte Quanten-Schnittstelle realisiert. Wie das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichtet, ist das Herzstück der Arbeiten eine Glasfaser, die durch Erhitzen und Strecken auf etwa ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares verjüngt wurde.

Diese Nanofaser ist damit dünner als die Wellenlänge des Lichtes, das durch sie geführt wird. Daher ragt das elektromagnetische Feld des durch die Faser geführten Lichts sogar aus der Faser heraus. In diesem sogenannten evaneszenten ("herausragenden") Feld haben die Wissenschaftler nun Cäsiumatome gefangen, die zuvor durch Bestrahlung mit geeignetem Laserlicht auf eine Temperatur von wenigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden. Die Atome ordnen sich dabei regelmäßig an und schweben 200 Nanometer über der Oberfläche der Nanofaser. So gering diese Entfernung erscheint - sie ist groß genug, um die Atome vor den störenden Einflüssen der Faseroberfläche zu schützen. Gleichzeitig befinden sich die Atome jedoch im evaneszenten Feld und treten so mit den Photonen, die in Richtung der Glasfaser laufen, in Wechselwirkung.

Wie die Forscher zeigen, ist dieser Prozess so effizient, dass schon wenige tausend Atome reichen sollten, um die Quanteninformation nahezu verlustfrei zwischen Photonen und Atomen zu übertragen. Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet der Mainzer Quanten-Schnittstelle ist die Verschaltung von unterschiedlichen Quantensystemen. So lassen sich zum Beispiel die gefangenen Atome in die Nähe von supraleitenden Quanten-Schaltkreisen bringen und so die vorteilhaften Eigenschaften beider Systeme verbinden. Damit gelänge ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung der Realisierung eines Quantencomputers, so die Hoffnungen der Wissenschaftler.