Pushing Frontiers in Quantum Information with Atoms and Photons

Das angestrebte Symposium soll dazu dienen, die Grundlagenforschung in den Bereichen Photonik und atomare Ensembles zu vernetzen. Die Kombination dieser Ansätze kann die Realisierung eines Quantenrepeaters, eines der essentiellen Grundbausteine der Quanteninformationsübertragung, entscheidend vorantreiben.

Die beiden Antragsteller decken mit ihrem Forschungshintergrund genau diese beiden Themenbereiche ab: Die Speicherung von Quantenzuständen in atomaren Ensembles (T.A.) und die Informationsübertragung mittels Photonen (C.W.).

Die Quanteninformation ist ein sehr junges Forschungsgebiet, in das viel Technologie und Wissen auch aus verschiedenen Disziplinen der Physik als auch aus der Mathematik und  der Informatik einfließt. Seit Mitte der neunziger Jahre ist es eines der sich am schnellsten entwickelnden Felder der experimentellen Physik geworden, mit immensen Fortschritten in Bereichen der Kommunikation, Kryptographie und Quanteninformationsverarbeitung.  Das schnelle Fortschreiten der Technologie in diesem Bereich rückt Anwendungen besonders im Feld der Quantenkommunikation in erreichbare Nähe.

Aktueller Forschungsstand und exemplarische Zuordnung zur neueren Literatur

Da die Quantenkommunikation sehr sichere und effiziente Wege eröffnet, Informationen innerhalb eines Netzwerkes zu verteilen, hat dieses Gebiet großes experimentelles Interesse geweckt.

Photonische Qubits haben bereits ein breites Anwendungsspektrum in der Quanteninformation, da die zu übertragende Information einfach im Polarisationszustand des Photons kodiert und  verschickt werden kann (QKD = Quantum Key Distribution). Für viele Kommunikationsprotokolle, wie z.B. die Quantenteleportation oder die Verschränkungsübertragung (Entanglement Swapping), ist es jedoch essentiell, dass die entfernten Teilnehmer jeweils ein Photon aus einem maximal verschränkten Mehrphotonenzustand erhalten. Die Antragstellerin C. W. forscht auf dem Gebiet der Erzeugung und Manipulation verschränkter Zustände [1] und bewies  zusammen mit ihren Kollegen der Universität Heidelberg als weltweit erste die mögliche Implementation einiger fundamentaler Bausteine für die Quanteninformation mit Photonen: die Teleportation eines Zwei-Teichen Zustandes [2] und die mehrstufige Übertragung von Verschränkung zwischen entfernten Photonen [3]. Letzteres Protokoll ist ein unverzichtbarer Bestandteil des s.g. Quantenrepeaterprotokolls.

Kryptographieprotokolle, superdichte Kodierung von Information und  Teleportation wurden für Distanzen bis einige zehn Kilometer experimentell verifiziert, scheitern aber an  den  in der Langstrecken-Quantenkommunikation auftretenden Problemen von Verlust, Dekohärenz, etc., welche die benötigten Ressourcen exponentiell mit der Verbindungs-Distanz steigen lassen. Zur Lösung dieses Problems schlugen im Jahre 1998 Briegel et al. [4] ein Quantenrepeater-Protokoll (bekannt als BDCZ-Protokoll) vor, in dem die erforderlichen Ressourcen nur polynomial steigen, wenn es gelingt in bestimmten Abständen Quantenspeicher zu integrieren. Im Jahr 2001 schlugen Duan et al. [5] vor, das sog. DLCZ Protokoll mit atomaren Ensembles zu implementieren, die zur Erzeugung von Verschränkung zwischen Atomen und Photonen sowie als Quantenspeicher dienen. Innerhalb der letzten Jahre wurden auf diesem Forschungsgebiet, unter anderem von der Gruppe der Antragstellerin C.W.  um Prof. Pan, viele entscheidende Fortschritte verzeichnet [6, 7,8,9,10].

Im Jahr 2006 wurden deterministische Einzelphotonen-Quellen basierend auf atomaren Ensembles realisiert [11,12,13]. Einzelne Photonen wurden in einer Wolke von Atomen gespeichert und über einen EIT-Prozess ausgelesen [14,15]. Im Jahr 2007 realisierten Chou et al. den ersten DLCZ-artigen Quantenrepeater-Knoten [16]. Im Jahr 2008 gelang Chen et al. die erste Teleportation eines Quantenzustandes von einem photonischen Qubit auf ein atomares Qubit [9]. Im selben Jahr zeigten Yuan et al. die Verschränkung zwischen zwei atomaren Ensembles, die mit 300m langen Fasern verbunden sind, und die somit den Prototypen eines Quantenrepeater-BDCZ-Knotens darstellen [10].

Für die weitere Realisierung von Quantenkommunikationsnetzen werden folgende Fragestellungen die Eckpunkte der zukünftigen Forschung bilden: die Speicherzeit muss auf die Größenordnung von mehreren hundert Millisekunden erweitert werden und die Effizienz der Quanten-Speicher verbessert werden. Bis jetzt betrug die längste Speicherzeit eines einzelnen Quantenzustandes in einem kalten atomaren Ensembles mehrere Millisekunden [17, 18].

Eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der Effizienz eines Quantenrepeaters stellt die Verwendung hochangeregter Atome (Rydbergatome) und die Nutzung eines ihnen eigenen physikalischen Mechanismus, der Anregungsblockade, dar. Ein auf Rydbergatom-Ensembles basierender Quantenrepeater könnte um zwei Grössenordungen effizienter sein, als das schnellste bisher vorgeschlagene Protokoll [19, 20].

In jüngster Zeit wurden beeindruckende Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht: Im Jahr 2009 beobachteten Urban et al. [21] und Gaetan et al. [22] unabhängig voneinander die kollektive Anregung zweier einzelner Atome im Rydberg-Blockaderegime. Basierend auf diesen Ergebnissen generierten Anfang des Jahres 2010 Wilk et al. die Verschränkung von zwei einzelnen neutralen Atomen [23], während Isenhower et al. die Implementierung eines Controlled-NOT Quantengatters gelang [24].

In diesem Zusammenhang stellen die umfassenden Studien des Antragstellers T. A. zur Blockade und Antiblockade in Rydberg-Gasen einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung der Effizienz eines Quanten-Speichers dar [25]. Zu den für die Quanteninformation notwendigen kohärenten Anregungsprozessen sowie zu den Auswirkung von störenden Prozessen wie Ionisation durch Schwarzkörperstrahlung oder mechanische Bewegung der Atome wurden ebenfalls wegweisende Voruntersuchungen in der Gruppe des Antragstellers durchgeführt [26,27].

Vernetzung der einzelnen Fragestellungen

Das geplante Symposion soll dazu dienen die Zusammenarbeit der beiden beteiligten Fachgebiete mit ihren vielversprechenden Ansätzen im Bereich der Quantenkommunikationstechnologie zu intensivieren und die physikalischen Herausforderungen in der Quantenkommunikation zu diskutieren: die Überwindung von Dekohärenz, Manipulation der Quantenzustände mit höchster Präzision, hocheffiziente Umwandlung zwischen Materie und Lichtfeldern, hochpräzise Laserstrahlführung, Modenanpassung der Lichtfelder, Miniaturisierung des Aufbaus, etc.

Die Ergebnisse dieses Symposions können zur Entwicklung folgender Ansätze beitragen: Deterministische Einzelphotonenquellen, deterministische Verschräkungsquellen, miniaturisierte Quantenspeicher, sichere QKD-Netzwerke, Quantennetzwerke mit mehreren Repeater-Knoten, Multi- Qubit Quanteninformationsverarbeitung, Quantenkanäle zur Schlüsselverteilung auf kontinentalem Maßstab, die alle neuartig und grundlegend für zukünftige Quantentechnologien sind.

Die entwickelten Ideen und Ergebnisse des Symposions werden also neben der Manipulation von kalten Atomen und Photonen auch Auswirkungen auf ein breites Spektrum anderer Forschungsansätze sowie andere Manipulationstechnologien unterschiedlicher quantenmechanischer Systeme haben. Programm

Kontakt:
Dr. Thomas Amthor / Dr. Claudia Wagenknecht
Physikalisches Institut
Universität Heidelberg
Philosophenweg 12
69120 Heidelberg
Telefon +49 (0)6221 54 9368
E-Mail: wagenknecht@physi.uni-heidelberg.de