Quantennetzwerke: Ein Baustein für lichtvernetzte Quantencomputer

Quantencomputer der Zukunft könnten zu Netzwerken zusammengeschlossen werden, deren einzelne Recheneinheiten über Licht miteinander kommunizieren. Dafür müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein: Einzelne Atome müssen sich gezielt kontrollieren lassen, um Quanteninformation zu speichern. Für Quantenberechnungen müssen sie außerdem miteinander wechselwirken können. Und schließlich braucht es eine effiziente Schnittstelle, über die Atome Quanteninformation mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen, austauschen können. Diese drei Voraussetzungen in einem einzigen System zu vereinen, war bislang eine ungelöste Herausforderung.

Optischer Resonator

Einem Forschungsteam um Johannes Zeiher, Professor an der LMU, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und Mitglied des Exzellenzclusters MCQST, ist dabei nun ein wichtiger Durchbruch gelungen. In ihrem Experiment halten die Forschenden einzelne Rubidiumatome in einer Anordnung optischer Pinzetten fest. Dabei handelt es sich um stark fokussierte Laserstrahlen, die als winzige Fallen für die Atome dienen.

Damit die Atome Quanteninformation mit Licht austauschen können, platzieren die Forschenden die Anordnung in einem optischen Resonator. Dieser besteht aus zwei einander gegenüberliegenden, hochreflektierenden Spiegeln. Gelangt ein Photon in den Resonator, wird es zwischen den Spiegeln tausendfach hin- und herreflektiert und passiert dabei immer wieder die Atome. Auf diese Weise wird die normalerweise schwache Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Atom und einem Photon erheblich verstärkt.

Damit Quantencomputer aber auch Berechnungen durchführen können, reicht es nicht aus, dass die Atome Quanteninformation mit Licht austauschen – sie müssen auch gezielt miteinander wechselwirken können. Dazu werden sie in sogenannte Rydberg-Zustände versetzt. In diesen hochangeregten Zuständen wechselwirken Atome stark mit ihren Nachbarn, selbst über Entfernungen von mehreren Mikrometern hinweg – Entfernungen, die tausendfach größer sind als die Atome selbst. Solche Wechselwirkungen bilden die Grundlage für elementare logische Operationen – sogenannte Quantengatter – in Quantencomputern, die auf neutralen Atomen basieren.

Die Kombination von optischen Resonatoren und Rydberg-Atomen stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Denn Rydberg-Atome reagieren äußerst empfindlich auf elektrische Störfelder. Diese können unter anderem von piezoelektrischen Elementen ausgehen, die zur präzisen Ausrichtung der Resonatorspiegel benötigt werden. Dabei handelt es sich um winzige, elektrisch gesteuerte Stellglieder. Um die störenden Felder abzuschirmen, integrierte das Team die piezoelektrischen Elemente in eine Plattform aus Titan. Dadurch ließ sich die elektrische Feldstärke am Ort der Atome um mehr als den Faktor zehn reduzieren. Die Atome können so zuverlässig in Rydberg-Zustände angeregt werden, selbst wenn die Ausrichtung der Resonatorspiegel aktiv nachgeregelt wird.

Mit ihren Messungen konnten die Forschenden beide Arten von Wechselwirkungen nachweisen, die für den Aufbau vernetzter Quantencomputer erforderlich sind – und zwar innerhalb derselben Atomanordnung. Zum einen koppeln die Atome stark an den optischen Resonator. Schon ein einzelnes Atom bewirkt eine messbare Verschiebung seiner Resonanzfrequenz, also der Frequenz des Lichts, bei der der Resonator besonders gut durchlässig ist.

Zum anderen beobachtete das Team bei Gruppen von bis zu vier Atomen ein kollektives Verhalten, die sogenannte Rydberg-Blockade. Wird eines der Atome angeregt, verhindert es, dass auch die benachbarten Atome angeregt werden. Dadurch verhält sich die gesamte Gruppe wie ein einziges „Superatom“. Je mehr Atome die Gruppe enthält, desto schneller reagiert sie auf den anregenden Laser. Diese Beschleunigung ist ein charakteristisches Anzeichen für die Verschränkung der Atome.

Baustein für Quantennetzwerke

„Optische Pinzetten, optische Resonatoren und Rydberg-Atome haben in den vergangenen zehn Jahren jeweils bemerkenswerte Fortschritte in der Quantenforschung ermöglicht. Indem wir sie auf einer einzigen Plattform zusammenbringen, können wir die Schnittstelle zwischen Licht und Materie auf völlig neue Weise kontrollieren. Wir sehen darin einen wichtigen Schritt hin zu Quantenprozessoren, die über Licht miteinander kommunizieren. Zugleich eröffnen sich neue Möglichkeiten, verschränkte Zustände von Licht und Materie gezielt zu erzeugen und zu beeinflussen“, sagt Johannes Zeiher, unter dessen Leitung das Experiment durchgeführt wurde.

Die neue Plattform eröffnet vielfältige Perspektiven: Sie könnte wichtige Bausteine für Quantennetzwerke liefern, die Erzeugung verschränkter Lichtzustände ermöglichen und zur Simulation von Quantenmaterialien dienen, in denen Teilchen über große Entfernungen miteinander wechselwirken. Als Nächstes arbeitet das Team daran, Atome in gezielt festgelegten Konfigurationen deterministisch zu verschränken und ihre Zustände mithilfe des Resonators auszulesen. Dies wäre ein wichtiger Schritt hin zur Umsetzung von Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur. Solche Verfahren sind notwendig, um Quantencomputer künftig auf größere Systeme skalieren zu können.

Jacopo De Santis, Balázs Dura-Kovács, Mehmet Öncü, Adrien Bouscal, Dimitrios Vasileiadis, and Johannes Zeiher. Realization of a cavity-coupled Rydberg array. In: Physical Review X, 2026.