Quantenspeicher für Licht

Deutsch-dänisches Forscherteam realisiert atomaren Rekorder für Lichtquanten, wodurch eine Quantenkommunikation über große Entfernungen näher rückt

In der uns vertrauten Welt können Informationen problemlos von einem System in ein anderes kopiert werden. Das geschieht jeden Tag, wenn wir eine Datei kopieren oder ein Gespräch aufnehmen. In der mikroskopischen Welt der Quanten ist es hingegen unmöglich, Quanteninformationen zu vervielfältigen. Diese kann man nur übertragen, wobei von der Information nicht die geringste Spur an ihrem Ursprung zurückbleibt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching und des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen ist es jetzt in einem Experiment erstmals gelungen, Quantenzustände von Lichtpulsen auf Cäsium-Atome zu übertragen und wieder auszulesen. Quanteninformation flexibel handhaben zu können, ist die Voraussetzung für Quantenkommunikation und Quantenrechnen – Technologien, die die Welt der Information revolutionieren könnten (Nature, 25. November 2004).

Im Experiment wird ein Laserpuls durch Cäsium-Atome geschickt, die in einer transparenten Zelle bei Raumtemperatur eingeschlossen sind. Der Quantenzustand des Lichtpulses wird durch seine zufällige Polarisation beschrieben. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem Licht führt zu einem „verschränkten Zustand“, der die beiden Systeme miteinander verbindet. Nach dem Verlassen der Atome wird der Lichtpuls gemessen. Hierbei beeinflussen die Verschränkung von Licht und Atomen sowie der Messvorgang am Licht den Quantenzustand der Atome derart, dass sie die Eigenschaften des eingestrahlten Lichtes übernehmen. Der Polarisationszustand des Photons wird also auf das Atom übertragen. Diese „Fernwirkung zwischen zwei Systemen“, bei dem der Messvorgang an einem System den Zustand des anderen Systems beeinflusst, ist eine der erstaunlichsten Erscheinungsformen der Quantenmechanik und Grundlage für zukünftige Anwendungen, wie die Quantenkryptographie oder die Teleportation.

Um nun zu prüfen, ob der Polarisationstransfer tatsächlich stattgefunden hat, haben die Wissenschaftler die Polarisation der Atome gemessen und mit der des Lichts verglichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Polarisation bis zu 70 Prozent übereinstimmte. Hauptursache für die Ungenauigkeit ist die spontane Emission, die dadurch auftritt, dass Atome die Photonen absorbieren und diese nicht in Richtung Photodetektor emittieren.

Ist nun die siebzigprozentige Übereinstimmung als Erfolg zu werten? Kommt man zum gleichen Ergebnis, wenn zunächst der Polarisationsgrad des Photons bestimmt wird, um danach den Atomzustand einzustellen? Die Antwort ist: Nein. Wegen der prinzipiellen Eigenschaften der Quantenmechanik kann der Polarisationszustand eines Laserpulses nicht vollständig bestimmt werden, da es nach der Heisenbergschen Unschärferelation nicht möglich ist, die Polarisation exakt zu messen. Tatsächlich haben andere Wissenschaftler gemeinsam mit K. Hammerer und M. Wolf vom Max-Planck Institut für Quantenoptik erst kürzlich nachgewiesen, dass die letztgenannte Methode bestenfalls zu einer fünfzigprozentigen Übereinstimmung führen kann. Damit belegen die theoretischen Überprüfungen, dass in dem Experiment tatsächlich ein Polarisationstransfer erfolgreich durchgeführt wurde – im Gegensatz zu Experimenten, in denen sich kein verschränkter Zustand bildet.

Damit ist der Weg frei für neue Experimente, bei denen die im Licht vorhandene Information zuerst auf Atome und dann wieder auf das Licht zurück übertragen wird. Auf diese Weise könnten Lichtzustände nicht nur in einem Atomverband gespeichert, sondern auch wieder abfragt werden – Voraussetzung für den Bau eines „Quanten-Repeaters“. Diese Übertragungseinrichtung wird künftig die Quantenkommunikation auch über mehr als 100 Kilometer ermöglichen, Entfernungen, die bisher noch nicht im Bereich des Möglichen lagen.