Der erste photonische Router der Welt

Wissenschafter des Weizmann Instituts haben erstmals einen photonischen Router vorgestellt – ein Quantengerät, das auf einem einzigen Atom basiert und das Routen einzelner Photonen durch einzelne Photonen ermöglicht. Diese Errungenschaft, über die heute im Magazin Science berichtet wurde, stellt einen weiteren Schritt zur Überwindung der Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines Quantencomputers dar.

Das Kernstück des Geräts ist ein Atom, das zwischen zwei Zuständen umschalten kann. Durch die Entsendung eines Lichtpartikels – oder Photons – über eine optische Faser von rechts oder von links wird ein Zustand eingeschaltet. In Reaktion darauf reflektiert oder übermittelt das Atom dann entsprechend das nächste eintreffende Photon. Wird also ein Photon z.B. von rechts nach links übermittelt, währenddessen ein anderes Photon, das von links kommt, zurückreflektiert wird, kommt es zu einer Umdrehung des atomaren Zustands . In diesem umgedrehten Zustand lässt das Atom die Photonen, die von links kommen, ihren Weg in derselben Richtung fortsetzen, während ein jedes Photon, das von rechts kommt, zurückreflektiert wird, wodurch der atomare Zustand erneut umgedreht wird. Dieser auf einem Atom basierende Schalter wird nur von einzelnen Photonen bedient – ohne dass weitere externe Felder gebraucht werden.

"Eigentlich arbeitet dieses Gerät wie das photonische Equivalent eines elektronischen Transistors, der elektische Strömungen in Reaktion auf andere elektrische Strömungen umschaltet," sagt Dr. Barak Dayan, der Leiter der Quantum-Optics-Gruppe des Weizmann Instituts, der auch Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler und Gabriel Gruendleman aus dem Fachbereich Chemische Physik an der Fakultät für Chemie angehören. Die Photonen sind nicht nur die Einheiten, die den Informationsfluss umfassen, sondern sie kontrollieren das Gerät.

Diese Errungenschaft ist durch die Kombination zweier hochmoderner Technologien ermöglicht worden. Eine ist dabei die Laserkühlung und das Einfangen von Atomen. Die andere Methode ist die Herstellung von Resonatoren mit Miniaturoptik von höchster Qualität mit einem eingebauten Mikrochip, die direkt an die optischen Fasern angekoppelt sind. Dayans Labor am Weizmann Institut zählt zu den wenigen Laboren weltweit, in denen diese beiden Technologien gemeistert wurden.

Die Hauptmotivation hinter den Bemühungen, Quantencomputer herzustellen ist das Quantenphänomen des Superpositionsprinzips, in dem sich Partikel gleichzeitig in verschienen Zuständen befinden können, mit dem Potenzial parallel riesige Datenmengen zu verarbeiten. Aber das Superpositionsprinzip kann nur solange aufrechterhalten werden, solange das System durch nichts beobachtet oder gemessen wird, da es sonst in einen singulären Zustand zurückfällt. Daher sind Photonen die vielversprechendsten Kandidaten für die Kommunikation zwischen den Quantensystemen, da sie keine gegenseitige Wechselwirkung miteinander haben und nur sehr schwach auf andere Partikel reagieren.

Dayan: "Der Weg zur Herstellung von Quantencomputern ist noch sehr lang, aber das Gerät, das wir gebaut haben, hat ein einfaches und sehr robustes System, das sich für die Architektur dieser zukünftigen Computer anwenden läßt. Ein einziges Atom fungiert wie ein Transistor – oder ein Wechselschalter – für Photonen, aber in unseren zukünftigen Experimenten hoffen wir Geräte zu entwickeln, die alleine mit Photonen arbeiten, also neuen Arten von Quantenspeichern oder Logikgattern."

Dr. Barak Dayans Forschungsarbeit wird finanziert vom Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science. Dr. Dayan hält den Joseph-und-Celia-Reskin-Lehrstuhl inne.