In Hochvakuum-Kammern gefangene Ionen sind sehr gut kontrollierbare Quantensysteme. Mit ihnen lassen sich Quantenbits (Qubits) realisieren, die grundlegende Quanteninformationseinheit. Damit bilden sie die technologische Basis für Quantencomputer oder Quantensimulatoren. Für Quantenkommunikationsnetzwerke eigneten sich gefangene Ionen bisher nicht, da sie nur über kurze Distanz im Labor miteinander verschränkt werden konnten, nach wenigen Metern war bereits Schluss.
Durch die Verschränkung – oft auch als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet – bleiben zwei oder mehr verschränkte Quantenobjekte, etwa die gefangenen Ionen – auch über große Distanz miteinander verbunden. Sie teilen ihre physikalischen Eigenschaften und verhalten sich wie ein einziges Quantenobjekt. Dadurch lässt sich mit der Verschränkung Quanteninformation übertragen.
Plattform für Quantencomputer
Forscher und Forscherinnen um Tracy Northup und Ben Lanyon vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben in den vergangenen Jahren ein Verfahren entwickelt, bei dem die Atome in sogenannten optischen Resonatoren gefangen werden. Damit lässt sich Quanteninformation effizient auf Lichtteilchen (Photonen) übertragen. Schickt man diese dann durch Lichtleiter, können Atome an verschiedenen Orten miteinander verbunden werden. Aufgrund der Wellenlänge der dabei verwendeten Photonen war es bisher allerdings nicht möglich, größere Entfernungen zurückzulegen.
Nun ist es Northup und Lanyon mit Kollegen gelungen, zwei Ionen über eine Distanz von 230 Metern Luftlinie miteinander zu verschränken. „Wir haben dazu einzelne mit den Ionen verschränkte Photonen über einen 500 Meter langen Lichtleiter geschickt und miteinander überlagert. Dies überträgt die Verschränkung auf die beiden Ionen“, so Northup in einer Aussendung zu der im Fachjournal „Physical Review Letters“ erschienene Studie. Für die Physikerin zeigen die Ergebnisse, „dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung zukünftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind“.