Quanteninformation mit Schall übertragen
Ein Team der TU Wien und der Harvard University forscht an der Übertragung von Quanteninformation zwischen Atomen mittels Phononen als die Quanten des Schalls.
Die Quantenphysik ist dabei, einen neuen technologischen Entwicklungsschub auszulösen: Neuartige Sensoren, sichere Datenübertragungsmethoden und vielleicht sogar neuartige Computer sollen durch Quanten-Technologien möglich werden. Das entscheidende Problem daran ist allerdings, ausreichend viele Quantensysteme (etwa einzelne Atome) auf die richtige Weise miteinander zu koppeln und präzise anzusteuern.
Winzige Diamanten mit erwünschten Fehlern
Ein Forschungsteam der TU Wien und der Harvard University hat nun einen neuen Weg untersucht, die nötigen Quanteninformation zu übertragen: Sie schlagen vor, winzige mechanische Schwingungen einzusetzen. Die Atome werden dabei durch sogenannte Phononen miteinander gekoppelt, sie sind die kleinsten quantenphysikalischen Einheiten von Schwingungen oder Schallwellen.
„Wir untersuchen winzige Diamanten mit eingebauten Siliziumatomen, diese Quantensysteme gelten als besonders erfolgversprechend“, sagt Peter Rabl vom Atominstitut der TU Wien. „Normalerweise bestehen die Diamanten aus reinem Kohlenstoff, doch wenn man an bestimmten Stellen Siliziumatome einbaut, ergeben sich Fehler im Kristallgitter, an denen man Quanteninformation speichern kann“, so Rabl. Die mikroskopischen Fehler im Diamantgitter lassen sich wie ein winziger Schalter verwenden und mit Hilfe von Mikrowellen zwischen einem Zustand höherer Energie und einem Zustand niedrigerer Energie hin und her schalten.
Das skalierbare Quanten-Netzwerk
Gemeinsam mit einem Team der Universität Harvard entwickelte Rabls Forschungsgruppe nun die Idee, diese Quantenspeicher im Diamant kontrolliert miteinander zu koppeln: Man kann sie der Reihe nach, wie Perlen einer Perlenkette, in ein winziges Diamant-Stäbchen einbauen, mit einer Länge im Mikrometerbereich. Ähnlich wie eine Stimmgabel kann ein solches Stäbchen dann zum Schwingen angeregt werden. Es geht dabei um minimale Schwingungen, die nur mit Hilfe der Quantentheorie beschrieben werden können und mit diesen Schwingungen lassen sich die Siliziumatome quantenphysikalisch koppeln.
Ein großer Vorteil der neuen Technologie liegt in ihrer Skalierbarkeit. Es gibt viele Ideen für Quantensysteme, die sich prinzipiell technologisch nutzen lassen. Das große Problem daran ist, dass es sehr schwierig ist, ausreichend von ihnen zu vernetzen, um etwa komplizierte Rechenoperationen mit ihnen durchführen zu können“, sagt Peter Rabl. Die neue Strategie, Phononen dafür einzusetzen, könnte einen völlig neuen Weg zu einer skalierbaren Quantentechnologie ebnen.