Die allermeisten modernen Quantentechnologien – von der Quantenkryptographie über das Quanteninternet bis hin zum Quantencomputer – beruhen auf einem absolut unverzichtbaren Grundelement: der Übertragung von Photonen. Zwei Qubits (etwa zwei Atome) tauschen dabei Information aus: Ein Qubit sendet ein Photon aus, das andere Qubit absorbiert es.
Dieser Prozess funktioniert allerdings nicht perfekt. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon tatsächlich absorbiert wird, liegt deutlich unter hundert Prozent: Mit herkömmlichen Methoden lässt sich höchstens eine Erfolgsrate von rund 54 Prozent erreichen – in fast der Hälfte aller Fälle geht das Photon verloren. Ein Team der TU Wien hat nun einen Vorschlag entwickelt, wie sich dieses Problem lösen lässt: Die Form des Photons muss umgekehrt werden – und das gelingt mit einem recht einfachen Trick.
Quantenteilchen und Glockenschläge
„Wenn ein Qubit ein Photon aussendet, darf man sich das Photon nicht als winziges Teilchen vorstellen, das einfach herausgeschossen wird“, sagt Dr. Zeyu Kuang vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das Photon ist eine Welle, und eine Welle hat eine bestimmte Form und eine bestimmte Ausdehnung.“
Bei Schallwellen ist das genauso: Wenn man mit einem Hammer auf eine Glocke schlägt, dann wird die Schallwelle nicht nur zu diesem einen ganz bestimmten Zeitpunkt erzeugt, sondern der Klang hält eine Weile an. Beim Hammerschlag ist die Schallwelle am kräftigsten, danach klingt sie sanft ab.
Die Welle, die entsteht, wenn ein Photon von einem Qubit emittiert wird, hat eine sehr ähnliche Form: Am Anfang ist sie sehr ausgeprägt, danach klingt sie exponentiell ab. Man könnte sagen, die Welle des Photons sieht „zackenförmig“ aus.
Diese „Photonenzacke“ bewegt sich nun vom ersten Qubit weg und kann gezielt durch einen Wellenleiter zum zweiten Qubit geführt werden, wo sie absorbiert werden soll. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt allerdings von der Wellenform des Photons ab. Und genau diese „Zackenform“ – anfangs kräftig, danach abklingend – passt schlecht zu jener Wellenform, die das zweite Qubit am effizientesten absorbieren kann. Ein zeitumgekehrter Puls wäre wesentlich besser geeignet: Er steigt allmählich an und erreicht sein Maximum erst am Ende.
Den Photonenpuls in der Zeit umkehren
„Das folgt aus der Zeitumkehrsymmetrie in der Quantenmechanik“, erklärt Oliver Diekmann. „Unter idealen Bedingungen ist die Quantendynamik umkehrbar. Wenn ein Qubit ein Photon mit einer bestimmten Wellenform perfekt emittiert, dann sagt uns der zeitumgekehrte Prozess, welche Wellenform dieses Qubit perfekt absorbieren kann.“
Für das Team der TU Wien stellte sich daher die Frage: Wie lässt sich die zeitliche Wellenform des Photons umkehren? „Im Vakuum breitet sich Licht immer mit exakt derselben Geschwindigkeit aus, nämlich mit Lichtgeschwindigkeit“, sagt Prof. Stefan Rotter. „In einem optischen Wellenleiter ist das aber nicht zwangsläufig der Fall. Unterschiedliche Frequenzkomponenten der Welle breiten sich schneller aus als andere – mathematisch wird das durch die sogenannte Dispersionsrelation beschrieben.“ Auf dieser Idee aufbauend schlagen die Forschenden vor, die beiden Qubits in einem Wellenleiter zu platzieren und dessen Dispersionsrelation so zu gestalten, dass sich die Wellenform eines emittierten Photonenpulses exakt umkehrt – wodurch theoretisch eine Absorptionswahrscheinlichkeit von hundert Prozent möglich wird.
„Wir haben berechnet, wie sich dieses Ziel erreichen lässt, und den Prozess am Computer simuliert“, sagt Prof. Carlos Gonzalez-Ballestero. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der erforderliche Aufbau technisch umsetzbar sein sollte. Dieser passive Ansatz könnte die Absorption von Photonen durch Qubits deutlich verbessern und damit die Effizienz vieler Quantentechnologien steigern.“
Originalpublikation
Rückfragehinweis
Prof. Carlos Gonzalez-Ballestero
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13645
carlos.gonzalez-ballestero@tuwien.ac.at
Prof. Stefan Rotter
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13618
stefan.rotter@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at