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Von: T. Hüllmann
Quanten-Überlagerung

Datentransport vom Photon zum Atom

Photonen können Informationen enthalten und diese auf Atome übertragen. Eine Gruppe von deutschen Wissenschaftlern hat nun eine Methode erarbeitet, mit der dieses Phänomen technisch nutzbar gemacht wird. Sie sehen darin die Zukunft der Datenübermittlung in Computer-Systemen.

Photonen können Informationen enthalten und diese auf Atome übertragen.
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Saarbrücken (Deutschland). Im Fachmagazin Nature Communications haben die Saarbrücker Physiker um Jürgen Eschner vom Lehrstuhl für „Quanten-Photonik“ ihre Ergebnisse zur Übertragung und Speicherung von Informationen mit Hilfe quantenmechanischer Phänomene publiziert. Ein Photon diente dabei als Übermittler der Information, ein Atom als Speicher.

Photonen sind nicht nur einige der kleinsten Teilchen der Quanten-Modelle, sie tragen zudem auch Informationen in Form ihres Polarisationszustandes. Grundsätzlich gibt es dabei die beiden entgegengesetzten Polarisationszustände „horizontal“ und „vertikal“. Da aber beliebig viele Überlagerungen dieser Zustände möglich sind, kann ein Photon demnach unendlich viele Polarisationen (auch Schwingungsrichtungen genannt) annehmen und eignet sich deshalb hervorragend als Informationsträger.

Leider sind die Lichtteilchen recht flüchtig und somit nicht als langfristiger Informationsspeicher geeignet. Doch die Schwingungsrichtung kann sich - das ist bekannt - auf ein Atom übertragen und dessen Spinzustand ändern. Eine kontrollierte Informationsübertragung ist damit jedoch noch nicht gegeben. Denn dieses Phänomen tritt nur sehr selten auf und hatte bis dato keinen praktischen Nutzen.

Gezielte Informationsübertragung dank Paul-Falle

Die Saarbrücker Wissenschaftler haben ein einzelnes Atom mit Hilfe einer sogenannten „Paul-Falle“ freischwebend im Raum festgehalten. Diese Falle sieht vor, das Atom mit elektrischen Wechselfeldern „gefangen zu halten“, um dann gezielt experimentieren zu können. Jürgen Eschner und sein Team beschossen das Atom mit einem Laser, sodass es ein einzelnes Photon absorbierte. Erwies sich diese Absorption als erfolgreich, konnte mit sehr geringer Fehlerquote eine Speicherung der Quanteninformation, die das Photon transportierte, nachgewiesen werden. Jede Polarisation sorgte für einen bestimmten Atom-Zustand.

Zudem haben die Forscher beobachtet, dass bei erfolgreicher Absorption das Atom ein Signal in Form eines Photons aussendet. Die Quanten-Überlagerung konnte allerdings nur dann zuverlässig gespeichert und ausgelesen werden, wenn das vom Atom ausgesendete Photon nicht die Polarisation des absorbierten Photons enthielt. Eine wichtige Erkenntnis für die Forscher-Gruppe. Denn so können sie eine fehlerfreie Speicherung der Information gewährleisten, wenn sie dafür sorgen, dass das betreffende Atom immer das gleiche Signal aussendet.

Die Zukunft der Informationstechnologie

Die Methode der Forscher der Universität des Saarlandes befindet sich noch in den Kinderschuhen, doch die Erfolgsquote bei der Übertragung von Quanteninformationen zeigt, was in Zukunft möglich sein wird – Computer auf quantenmechanischer Basis. Photonen senden Informationen, Atome speichern sie. Die Rechenleistung von Computerchips kann mithilfe der Methode deutlich erhöht werden und durch die Informationsübertragung auf Teilchenebene werden die Recheneinheiten miniaturisiert, was besonders der Entwicklung von tragbaren Geräten, wie Smartphones oder Tablets, zugute kommt. Des Weiteren soll die Übertragung nicht nur schneller sondern auch sicherer vonstattengehen.

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