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PUBLIC RELEASE DATE: 3 Dezember 2004

Quantenspeicher für Licht

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



Experimenteller Aufbau eines Quantenspeichers: Die atomaren Speichereinheiten bestehen aus zwei Csium-Zellen, die sich in den magnetischen Schutzbehltern (1 und 2) befinden. Der Weg der Laserpulse ist durch Pfeile dargestellt.
Bild: Max-Planck-Institut fr Quantenoptik / Niels-Bohr-Institut Kopenhagen

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In der uns vertrauten Welt knnen Informationen problemlos von einem System in ein anderes kopiert werden. Das geschieht jeden Tag, wenn wir eine Datei kopieren oder ein Gesprch aufnehmen. In der mikroskopischen Welt der Quanten ist es hingegen unmglich, Quanteninformationen zu vervielfltigen. Diese kann man nur bertragen, wobei von der Information nicht die geringste Spur an ihrem Ursprung zurckbleibt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts fr Quantenoptik in Garching und des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen ist es jetzt in einem Experiment erstmals gelungen, Quantenzustnde von Lichtpulsen auf Csium-Atome zu bertragen und wieder auszulesen. Quanteninformation flexibel handhaben zu knnen, ist die Voraussetzung fr Quantenkommunikation und Quantenrechnen - Technologien,, die die Welt der Information revolutionieren knnten (Nature, 25. November 2004).

Im Experiment wird ein Laserpuls durch Csium-Atome geschickt, die in einer transparenten Zelle bei Raumtemperatur eingeschlossen sind. Der Quantenzustand des Lichtpulses wird durch seine zufllige Polarisation beschrieben. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem Licht fhrt zu einem "verschrnkten Zustand", der die beiden Systeme miteinander verbindet. Nach dem Verlassen der Atome wird der Lichtpuls gemessen. Hierbei beeinflussen die Verschrnkung von Licht und Atomen sowie der Messvorgang am Licht den Quantenzustand der Atome derart, dass sie die Eigenschaften des eingestrahlten Lichtes bernehmen. Der Polarisationszustand des Photons wird also auf das Atom bertragen. 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 fr zuknftige Anwendungen, wie die Quantenkryptographie oder die Teleportation.

Um nun zu prfen, ob der Polarisationstransfer tatschlich 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 bereinstimmte. Hauptursache fr 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 bereinstimmung als Erfolg zu werten? Kommt man zum gleichen Ergebnis, wenn zunchst 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 vollstndig bestimmt werden, da es nach der Heisenbergschen Unschrferelation nicht mglich ist, die Polarisation exakt zu messen. Tatschlich haben andere Wissenschaftler gemeinsam mit K. Hammerer und M. Wolf vom Max-Planck Institut fr Quantenoptik erst krzlich nachgewiesen, dass die letztgenannte Methode bestenfalls zu einer fnfzigprozentigen bereinstimmung fhren kann. Damit belegen die theoretischen berprfungen, dass in dem Experiment tatschlich ein Polarisationstransfer erfolgreich durchgefhrt wurde - im Gegensatz zu Experimenten, in denen sich kein verschrnkter Zustand bildet.

Damit ist der Weg frei fr neue Experimente, bei denen die im Licht vorhandene Information zuerst auf Atome und dann wieder auf das Licht zurck bertragen wird. Auf diese Weise knnten Lichtzustnde nicht nur in einem Atomverband gespeichert, sondern auch wieder abfragt werden - Voraussetzung fr den Bau eines "Quanten-Repeaters". Diese bertragungseinrichtung wird knftig die Quantenkommunikation auch ber mehr als 100 Kilometer ermglichen, Entfernungen, die bisher noch nicht im Bereich des Mglichen lagen.

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Originalverffentlichung:

B. Julsgaard, J. Sherson, J.I. Cirac, J. Fiurek, und E.S. Polzik
Experimental demonstration of quantum memory for light
Nature 432, 482 (2004), 25. November 2004