Forschung & Entwicklung

Prototyp für eine Quantenschnittstelle

Ein mechanischer Oszillator kann verschränkte Strahlung erzeugen. Damit könnten in Zukunft Quantencomputer miteinander verbunden werden.

Verschränkung ist ein typisches Phänomen der Quantenwelt. Sind zwei Teilchen verschränkt, kann man die Eigenschaften des einen durch Beobachten des anderen ermitteln. Das Phänomen wird derzeit in der Quantenkryptografie verwendet, um Verschlüsselung sicherer zu machen und lässt sich nicht nur auf Teilchen, sondern auch auf Mikrowellenstrahlung anwenden. An dieser Strahlung arbeitet Shabir Barzanjeh aus der Arbeitsgruppe von Professor Johannes Fink am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria).

„Stellen Sie sich eine Box mit zwei Ausgängen vor. Sind die Ausgänge verschränkt, kann man die Strahlung, die aus dem einem austritt, durch Beobachten des anderen charakterisieren“, erklärt er. Verschränkte Strahlung konnte bereits zuvor erzeugt werden, aber in dieser Studie verwendeten die Forscher zum ersten Mal ein mechanisches Objekt. Mit einer Länge von 30 µm und einer Gesamtzahl von etwa einer Billion Atomen mag der von der Gruppe erzeugte Siliziumbalken klein erscheinen, für die Quantenwelt ist er jedoch riesig. Die Frage, die sich die Wissenschaftler stellten, war, ob man mit einem so großen System verschränkte Strahlung erzeugen kann. Jetzt haben sie Gewissheit, dass dies möglich ist.

Das Gerät hat aber auch praktischen Wert. Mechanische Oszillatoren könnten als Schnittstelle zwischen den äußerst empfindlichen, kalten Quantencomputern und den Signalen in optischen Fasern dienen, die diese innerhalb und außerhalb von Rechenzentren verbinden sollen. „Was wir gebaut haben, ist ein Prototyp für eine Quantenschnittstelle“, sagt Barzanjeh.

In supraleitenden Quantencomputern funktioniert die Elektronik nur bei extrem niedrigen Temperaturen von wenigen tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C, denn Quantencomputer arbeiten auf der Basis von Mikrowellenphotonen, die extrem empfindlich gegenüber Rauschen und Verlusten sind. Steigt die Temperatur im Computer, werden alle Informationen zerstört. Daher ist es derzeit fast unmöglich, Informationen von einem Quantencomputer auf einen anderen zu übertragen.

Klassische Computer in Netzwerken werden dagegen meist über optische Glasfaserleitungen verbunden, da optische Strahlung sehr robust gegen Störungen ist. Um diese Technologie auch für Quantencomputer nutzen zu können, müsste eine Verbindung geschaffen werden, die die Mikrowellenphotonen des Quantencomputers in optische Informationsträger umwandeln kann oder ein Gerät, das verschränkte Mikrowellen und optische Felder als Grundlage für eine Quantenteleportation erzeugt. Eine solche Verbindung würde als Brücke zwischen dem optischen System auf Raumtemperatur und der eiskalten Quantenwelt dienen. Das von den Physikern entwickelte Gerät ist ein Schritt in diese Richtung. „Der Oszillator, den wir gebaut haben, hat uns einem Quanteninternet einen Schritt näher gebracht“, freut sich Barzanjeh. Dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Anwendung des Geräts. Das System könnte auch eingesetzt werden, um die Leistung von Gravitationswellendetektoren zu verbessern.

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. Barzanjeh, E. S. Redchenko, M. Peruzzo, M. Wulf, D. P. Lewis, G. Arnold, J. M. Fink, Stationary entangled radiation from micromechanical motion, Nature 570 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1320-2]

www.ist.ac.at

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