Quanteninfos schwingen in Stimmgabeln

Seit Jahren arbeiten WissenschafterInnen an der Frage, wie sich "Dinge, die sich mechanisch bewegen, mit Licht kontrollieren lassen", so Markus Aspelmeyer von der Universität Wien und dem Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ). Im Herbst vergangenen Jahres hat ein Team um Aspelmeyer und den aus Österreich stammenden Physiker Simon Gröblacher vom Kavli Institute of Nanoscience der Technischen Universität Delft (Niederlande) eine Methode mit hundertstel bis tausendstel Millimeter kleinen schwingenden Balken aus Silizium vorgestellt.

Information in Stimmgabel einlesen und auslesen

Durch Laserpulse können diese wie eine Stimmgabel in Schwingung versetzt werden. Salopp gesagt, wird so die in der Lichtwelle enthaltene Quanteninformation in den Balken als kollektive Schwingung (mechanische Quanteninformation) eingeschrieben. Diese Bewegung lässt sich wiederum wie ein Teilchen (Phonon) beschreiben. Umgekehrt zeigten die Forscher, dass die Phononen auch in einen Laserpuls aus Lichtteilchen (Photonen) zurück übertragen werden können – sich die Information also auch wieder auslesen lässt.

Abhörsichere Datenübertragung im Quanteninternet

"Wir können mit Laserlicht die mechanische Bewegungen der Balken auf einem Siliziumchip bis hin zu einzelnen Quanten der Schwingung kontrollieren" und haben damit eine Art Quantenspeicher realisiert, sagte Aspelmeyer. Das ist entscheidend, wenn es um den Aufbau eines Informationsübertragungsnetzes auf Quantenbasis – also ein "Quanteninternet" – geht, das schnellere und vor allem abhörsichere Datenübertragung verspricht.

Verschränkung für größere Distanzen

Um Information über größere Distanzen weiterzuleiten, braucht es aber auch voneinander getrennte Speichereinheiten, die verbunden sind. Umgelegt auf ein Quantennetzwerk bedeute das "Verschränkung zwischen weit entfernten Knotenpunkten", erläuterte der Physiker. Unter dem quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung wird die Verbindung zweier Systeme verstanden, bei der eine Änderung in einem der verbundenen Teile zwingend und augenblicklich zur gleichen Änderung in den anderen Teilen führt.

Die Physiker haben in ihrer aktuellen Arbeit nun gezeigt, wie Verschränkung zwischen zwei solchen Siliziumchips hergestellt werden kann, indem sie ein einziges Phonon auf beide verteilten. Im Experiment lagen zwischen den so verbundenen Quantendatenträgern 20 Zentimeter, theoretisch hätten die durch Lichtleiter verbundenen Chips aber auch viel weiter voneinander entfernt sein können, betonte Aspelmeyer.

Flüchtige Schwingungen

Der Vorteil des Ansatzes liege darin, dass man auf in der Informationstechnologie gebräuchliche Glasfaserleitungen aufsetzen könne und auch Chips auf Siliziumbasis verwende. Außerdem könnten die "mechanischen Systeme" mit Lichtpulsen in Wellenlängenbereichen angeregt werden, die in der Telekommunikation bereits in Verwendung sind.

In der nächsten Zeit wollen die Wissenschafter die Netzwerke Schritt für Schritt vergrößern. Der Knackpunkt liege aber in der Flüchtigkeit der Quanteninformation: Denn die winzigen Stimmgabeln halten die Schwingung bisher nur für wenige Sekundenbruchteile, sagte Aspelmeyer. (APA/red)

Die Publikation "Remote quantum entanglement between two micromechanical oscillators" (Autoren: Ralf Riedinger, Andreas Wallucks, Igor Marinković, Clemens Löschnauer, Markus Aspelmeyer, Sungkun Hong & Simon Gröblacher) erschien am 25. April 2018 in Nature.