Wiener Physiker mit neuem Konzept für Photonen-Quantencomputer

Neue Methode zur effizienten Herstellung von Photonenpaaren

 Ein völlig neues Konzept für einen zukünftigen Quantencomputer auf Basis von Photonen haben Wiener Physiker um Anton Zeilinger vorgeschlagen und in Ansätzen bereits experimentell realisiert. Sie schlagen eine neue Methode vor, mit der sich gleichzeitig Paare von Lichtteilchen (Photonen) effizient herstellen und die Photonen miteinander zur Wechselwirkung bringen lassen. Damit ließen sich Berechnungen in einem Quantencomputer durchführen. Die Arbeit wurde in der neuen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Ja/Nein oder 0/1

Derzeit wird weltweit nach Konzepten gesucht, mit denen sich ein Quantencomputer realisieren lassen könnte. Im Gegensatz zum Bit, der kleinsten Informationseinheit in der Informationstechnologie, die zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, sollen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit) - dienen. Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand verschiedene Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.

"Kohärente Photonen-Konversion"

Die Physiker am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und ihre Kollegen in Japan und Australien mussten für das von ihnen vorgeschlagene Schema einige Schwierigkeiten überwinden. So scheiterte bisher ein auf vielen Photonen basierender Quantencomputer ebenso wie viele Quantenexperimente mit einer großen Anzahl an Photonen bisher an den prinzipiell ineffizienten Methoden zur Herstellung von Photonenpaaren. Die Wissenschafter schlagen nun die sogenannte "kohärente Photonen-Konversion" dafür vor.

"Wir können die Nichtlinearität der Glasfasern mit der Stärke des Laserfeldes steuern: je stärker das Laserfeld, desto höher die Nichtlinearität"

Dabei wird ein starker Laser dazu benutzt, die sogenannte Nichtlinearität von Glasfasern hochzutreiben. In der linearen Optik geht man davon aus, dass die optischen Eigenschaften eines Materials unabhängig von der Intensität des eingestrahlten Lichtes sind, Lichtstrahlen beeinflussen einander nicht. In nichtlinearen Materialien kommt es dagegen zu einer Wechselwirkung zwischen Lichtstrahlen. "Wir können die Nichtlinearität der Glasfasern mit der Stärke des Laserfeldes steuern: je stärker das Laserfeld, desto höher die Nichtlinearität", erklärte der an dem Projekt beteiligte Wissenschafter Sven Ramelow im Gespräch mit der APA.

Schickt man gleichzeitig zum Licht dieses Pumplasers Licht einer anderen Wellenlänge eines schwächeren Lasers in diese Glasfaserleitung, werden diese Photonen verdoppelt - und zwar "theoretisch zu 100 Prozent, also deterministisch - wenn man ein Photon hineinschickt, kommen zwei heraus", so Ramelow. Die Physiker konnten diesen Teil ihres neuen Schemas bereits experimentell nachweisen, wenn auch die Photonenpaar-Erzeugung "noch nicht mit hoher Effizienz" gelang.

Photonen-Zustände

Verdoppelt werden die Photonen durch die "kohärente Photonen-Konversion". Dabei werden sogenannte Photonen-Zustände - das elektromagnetische Feld des Lichts kann verschiedene Zustände einnehmen, etwa solche mit unterschiedlicher Zahl an Photonen - umgewandelt, ohne dass Quanteninformation zerstört wird. So kann zum Beispiel ein Ein-Photonen- in einen Zwei-Photonen-Zustand umgewandelt werden.

Ein weiterer, wichtiger Aspekt der "kohärente Photonen-Konversion" ist es, dass zwei Lichtteilchen miteinander zur Wechselwirkung gebracht werden können. Üblicherweise gibt es zwischen Photonen keinerlei Wechselwirkung. In der Quantenphysik ist das grundsätzlich von Vorteil, da die Photonen dadurch von der Umgebung isoliert sind und Quanteneigenschaften erhalten bleiben. Will man aber Photonen für einen Quantencomputer nutzen, braucht man genau diese Wechselwirkung, denn damit würden die Berechnungen durchgeführt.

Möglich

Mit dem theoretischen Konzept der Wiener Physiker wäre also der Bau eines auf Photonen basierenden Quantencomputers möglich. Weitere Experimente sollen nun die Möglichkeit der praktischen Umsetzung des Konzepts belegen. (APA)