Faserintegriertes Photon-Photon Quantengatter

Informationsverarbeitung unter Ausnützung quantenmechanischer Prinzipien ist ein radikal neuer Ansatz, der heutige Informationstechnologien revolutionieren kann. Dabei werden sogenannte Quanten- Bits (Qubits) als Informationsträger eingesetzt. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur die Werte 0 oder 1 annehmen können, ist es möglich, Quanten-Bits in einem Superpositionszustand zu präparieren, d.h. so, dass sie gleichzeitig beide Werte aufweisen. Dies erlaubt hochgradig parallel arbeitende Algorithmen, die verglichen mit klassischen Rechenprotokollen zu einem exponentiellen Anstieg der Rechengeschwindigkeit führen können. Ein vielversprechender Kandidat für Quanten-Bits sind Lichtteilchen, sogenannte Photonen, da diese mit hoher Präzision kontrolliert und manipuliert werden können. Darüber hinaus sind Photonen bereits das Rückgrat der modernen glasfaserbasierten Kommunikationstechnologien und sind ideal geeignet für zukünftige, auf integrierten optischen Schaltungen basierende, Quanten-Computer. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in Richtung optischer Quanten-Rechner erzielt. Allerdings konnte der wichtigste Baustein, ein logisches Gatter zwischen zwei Photonen, noch nicht realisiert werden. Das liegt daran, dass Photonen wie Lichtstrahlen im Allgemeinen nicht miteinander wechselwirken. Eine solche Wechselwirkung kann jedoch erreicht werden, wenn man sich die Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen zunutze macht. Dabei wird zunächst der Quanten-Zustand eines Photons auf den internen Zustand eines einzelnen Atoms übertragen und dort gespeichert. Anschließend lässt man das Atom mit einem zweiten Photon wechselwirken. Zum Schluss wird dann der Zustand des Atoms wieder ausgelesen, d.h. er wird wieder auf ein Photon transferiert. Um eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit für diesen Prozess zu erreichen, muss die Licht-Atom- Wechselwirkung mithilfe eines optischen Resonators verstärkt werden. In dem vorliegenden Projekt verwenden wir einen sogenannten Flaschenresonator mit einer Größe von wenigen 10 Mikrometern. Die Photonen, die mit dem Atom wechselwirken sollen, werden über ultradünne, optische Glasfasern in den Resonator gekoppelt und darin für eine Zeit, die ca. 100.000 Umläufen entspricht, gespeichert. Dabei können sie mit einem, nahe der Resonator-Oberfläche gefangenen Atom wechselwirken. Interessanterweise haben Photonen in dieser Art von Resonator abhängig von ihrer Umlaufrichtung eine unterschiedliche Polarisation. Dies erlaubt es uns, die Absorption und Emission von einzelnen Photonen durch das Atom genau zu kontrollieren und ist die Basis für die Umsetzung des oben beschriebenen Quanten-Speichers, in dem der Quanten-Zustand des Photons in das Atom geschrieben wird. Indem wir ein zweites Photon mit dem, im Atom gespeicherten Photon wechselwirken lassen, können wir nun eine effektive Photon-Photon-Wechselwirkung und damit ein logisches Gatter für zwei Photonen realisieren.

In der heutigen Zeit kommt der Informationsverarbeitung eine immer größere Bedeutung zu. Allerdings wird in naher Zukunft die Miniaturisierung von elektronischen Komponenten eine Grenze erreichen. Um trotzdem den stetig wachsenden Bedarf an solchen Technologien zu decken werden neue Konzepte benötigt. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei optische Informationsverarbeitung, bei der Licht als Informationsträger eingesetzt wird. Gleichzeitig lassen sich mit Hilfe optische Informationsverarbeitung auch radikal neue Ansätze zur Datenverarbeitung, wie optische Quantencomputer realisieren. Dabei werden einzelne Photonen als Informationsträger, die sogenannten Quantenbits (Qubits), eingesetzt. Im Gegensatz zu klassischen Bits können diese nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern können auch in Superpositionen präpariert werden bei denen das Photon beide Zustände gleichzeitig einnimmt. Dadurch wird es möglich Berechnungen massiv parallel durchzuführen was zu einem exponentiellen Zuwachs der Rechengeschwindigkeit führt. In der letzten Zeit gab es große Fortschritte in Richtung optischer Informationsverarbeitung. Allerding fehlen immer noch Komponenten wie z.B. integrierte optische Zirkulatoren, die in der Lage sind die Ausbreitungsrichtung von Licht zu kontrollieren. Versuche diese Komponenten zu miniaturisieren waren bis jetzt immer von hohen Verlusten begleitet, was deren Einsatz für klassische und insbesondere für Quanteninformationsverarbeitung verhindert. Im Rahmen dieses Projekts verfolgen wir einen neuen Ansatz zur Realisierung eines integrierten optischen Zirkulators. Hierzu koppeln wir ein einzelnes Rubidium Atom an einen Flaschenresonator eine mikroskopische bauchige Glasstruktur, die das Licht mit Hilfe von Totalreflektion führt. Platziert man einen solchen Resonator zwischen zwei ultradünnen optischen Glasfasern, dann kann das Licht über den Resonator von einer Faser in die andere überkoppeln. Dieses System ist allerdings symmetrisch und Licht kann sowohl in vorwärts- als auch in rückwärts-Richtung propagieren. Um diese Symmetrie zu brechen, koppeln wir nun ein Atom an den Resonator. Dadurch können nur noch Photonen die in vorwärts-Richtung propagieren über den Resonator in die zweite Faser überkoppeln, während derselbe Prozess für rückwärts-propagierende Photonen verhindert wird. Für diesen Trick nutzen wir eine spezielle Eigenschaft des geführten Lichts aus: Der Rotationssinn des elektrischen Felds hängt von der Propagationsrichtung des Lichts ab. Wenn nun das Rubidium Atom in einem bestimmen internen Zustand präpariert wird koppelt es unterschiedlich stark an die in unterschiedlichen Richtungen propagierenden Lichtfelder, wodurch sich ein Zirkulator realisieren lässt dessen Richtungssinn durch den atomaren Zustand definiert ist. Da es sich bei dem Atom um ein Quantenobjekt handelt, lässt es sich auch in einer Superposition aus zwei atomaren Zuständen präparieren, wodurch man dann die erste Realisation eines quantenmechanisch arbeitenden Zirkulators erhält.