Quanten-Netzwerkknoten mit warmen Atomen

Kommunikationsnetzwerke benötigen Knotenpunkte, an denen Informationen aufbereitet oder umgeleitet werden. Physiker der Universität Basel haben nun einen Knotenpunkt für Quanten-Kommunikationsnetzwerke entwickelt, der einzelne Photonen in einer Dampfzelle speichern und später weiterleiten kann.

Ein Lichtteilchen aus der Einzelphotonen-Quelle (unten) wird in der Dampfzelle (oben) gespeichert. Ein gleichzeitig emittiertes zweites Lichtteilchen wird dabei von einem Sensor (rechts) registriert, der den Kontroll-Laserpuls einschaltet und damit den Speichervorgang auslöst. (Bild: Departement Physik/Universität Basel)

In Quanten-Kommunikationsnetzwerken werden Informationen von einzelnen Lichtteilchen (Photonen) übertragen. An den Knotenpunkten eines solchen Netzwerks benötigt man dabei Pufferelemente, welche die in den Photonen enthaltenen Quanteninformationen kurzzeitig speichern und danach wieder abgeben können.

Forschende der Universität Basel um Prof. Philipp Treutlein haben einen Quantenspeicher entwickelt, der auf einem atomaren Gas in einer Glaszelle beruht. Die Atome müssen dazu nicht extra gekühlt werden, wodurch der Speicher leicht herzustellen und vielfältig einsetzbar ist, zum Beispiel auch in Satelliten. Zudem haben die Forschenden eine Einzelphotonen-Quelle realisiert, mit der sie die Güte und Speicherzeit des Quantenspeichers testen konnten. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachjournal PRX Quantum veröffentlicht.

Warme Atome in Dampfzellen
«Warme Atome in Dampfzellen werden schon seit zwanzig Jahren auf ihre Tauglichkeit als Quanten-Speicherelement untersucht», sagt Gianni Buser, der als Doktorand an dem Experiment mitgearbeitet hat. «Zumeist wurden dafür aber abgeschwächte Laserstrahlen, also klassisches Licht, benutzt.» Bei solchem klassischem Licht ist die Zahl der Photonen, die in einer gewissen Zeit auf die Dampfzelle treffen, statistisch verteilt – im Mittel ist es nur ein Photon, manchmal sind es aber auch zwei, drei oder gar keines.