Technologieforum Laser Photonik

Qubits aus gefangenen Ionen gelten als vielversprechende Grundlage für die Quantenkommunikation. Vorteilhaft sind ihre lange Kohärenzzeit sowie ihr Potenzial für Multi-Qubit-Operationen. Um mit ihnen Quantennetzwerke aufzubauen, ist es jedoch notwendig, ihre Quantenzustände über weite Entfernungen auszutauschen. Bisher gab es keinen experimentellen Nachweis dafür. Forscher um Tracy Northup und Ben Lanyon am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben die Ionen – in verschiedenen Gebäuden – in optischen Resonatoren gefangen und ihre Quanteninformation mittels Laseranregung in zwei verschiedenen Wellenlängen auf Photonen übertragen. Die Polarisation des jeweiligen Photons richtet sich danach, welche der bei- den Wellenlängen das Ion absorbiert: Das Lichtteilchen korreliert also mit dem Zustand des Ions am jeweiligen Netzwerkknoten. Um nun die beiden 230 m voneinander entfernten Ionen zu verschränken, übertrugen die Wissenschaftler eines der Photonen über Lichtwellenleiter von einem Knoten zum anderen – in die Nähe des anderen gefangenen Ions. Nachdem sie dort einen Strahlteiler durchlaufen hatten, traten die Photonen beider Knoten miteinander in Wechselwirkung. Die Wissenschaftler konnten somit ein Paar Photonen mit spezifischen individuellen Polarisationen nachweisen und sahen deshalb die Verschränkung der gefangenen Ionen als gelungen an.

Plattform für Quantennetzwerke

„Bisher wurden gefangene Ionen nur im gleichen Labor über wenige Meter miteinander verschränkt. Dies wurde auch mit gemeinsamen Kontrollsystemen und Photonen realisiert, die aufgrund ihrer Wellenlänge nicht dafür geeignet sind, größere Entfernungen zurückzulegen“, erklärt Ben Lanyon. Die Innsbrucker Physiker und Physikerinnen haben es nun geschafft, zwei Ionen über den Campus hinweg miteinander zu verschränken. „Wir haben dazu einzelne mit den Ionen verschränkte Photonen über einen 500 m langen Lichtleiter geschickt und miteinander überlagert. Dies überträgt die Verschränkung auf die beiden Ionen“, schildert Tracy Northup das Experiment. Die Ergebnisse zeigten, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für künftige großflächige Netzwerke von Quantencomputern oder -sensoren seien, so Northup.

Die Teams von Northup und Lanyon sind Teil der Quantum Internet Alliance; finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und von der Europäischen Union.

Originalpublikation
[V. Krutyanskiy, M. Galli, V. Krcmarsky, S. Baier, D. A. Fioretto, Y. Pu, A. Mazloom, P. Sekatski, M. Canteri, M. Teller, J. Schupp, J. Bate, M. Meraner, N. Sangouard, B. P. Lanyon, T. E. Northup: Entanglement of trapped-ion qubits separated by 230 meters; Phys. Rev. Lett. 130, 050803, DOI: 10.1103/PhysRevLett. 130.050803]