Die beiden Konstanzer Physiker Benedikt Tissot und Guido Burkard entwickelten nun ein theoretisches Modell, wie der Informationsaustausch zwischen Qubits gelingen könnte, indem Photonen als „Transportmittel“ der Quanteninformation genutzt werden. Die Grundidee: Der Informationsgehalt (Elektronenspin-Zustand) des materiellen Qubits wird in ein „fliegendes Qubit“ umgewandelt, nämlich in ein Photon. Photonen sind „Lichtquanten“, im Prinzip die Grundbausteine, aus denen die elektromagnetische Strahlung des Lichts besteht. Der besondere Clou in ihrem Modell: Für den Umwandlungsprozess des Qubits in ein Photon werden sogenannte stimulierte Raman-Emissionen genutzt – ein Verfahren, das mehr Kontrolle über die Photonen erlaubt. „Wir schlagen einen Paradigmenwechsel von der Optimierung der Steuerung bei der Erzeugung des Photons zur direkten Optimierung des zeitlichen Verlaufs des Lichtpulses beim fliegenden Qubits vor“, hebt Burkard hervor.
Benedikt Tissot vergleicht das grundlegende Verfahren mit dem Internet: „Beim klassischen Computer haben wir unsere Bits, diese sind auf einem Chip in Form von Elektronen kodiert. Wenn wir Informationen über lange Distanzen verschicken wollen, wird der Informationsgehalt der Bits in ein Lichtsignal umgewandelt, das durch optische Kabel geleitet wird.“ Beim Informationsaustausch zwischen Qubits im Quantencomputer ist das Grundprinzip ganz ähnlich: „Auch hier müssen wir die Information in Zustände umwandeln, die man gut übertragen kann – und dafür bieten sich Photonen an“, so Tissot.
Ein 3-Level-System zur Steuerung des Photons
„Dabei gibt es Aspekte, die man beachten muss“, fährt Tissot fort: „Wir möchten steuern, in welche Richtung die Information fließt – wann, wie schnell und wohin. Deswegen brauchen wir ein System, mit dem wir Kontrolle ausüben können.“ Diese Kontrolle bietet das Verfahren mittels Resonator-erweiterter, stimulierter Raman-Emissionen. Hinter diesem Begriff steckt ein 3-Level-System, welches zu einem mehrstufigen Verfahren führt. Diese Stufen bieten den Physikern Kontrollmöglichkeiten über das entstehende Photon. „Wir haben hier ‚mehr Knöpfe‘, die wir bedienen können, um das Photon zu steuern“, veranschaulicht Tissot.
Stimulierte Raman-Emissionen sind in der Physik ein etabliertes Verfahren. Dass sie aber zum direkten Versand von Qubit-Zuständen eingesetzt werden, ist ungewöhnlich. Das neue Verfahren könnte es ermöglichen, zwischen den Folgen von Störeffekten der Umgebung und unerwünschten Nebeneffekten schneller Änderungen des zeitlichen Verlaufs des Lichtpulses zu balancieren, sodass der Informationstransport akkurater implementiert werden kann.
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