Atome

Quantenrepeater-Zelle mit einzelnen Atomen / Ionen und einzelnen Photonen

Für einzelne gespeicherte Atome und Ionen existieren die am besten entwickelten Werkzeuge, um die Atom-Photon-Wechselwirkung genau und kohärent zu kontrollieren. Dazu gehören Atom-Photon-Verschränkungmit hoher Zustandsreinheit, quantenlogische Gatter, Bell-Zustandsmessungen und kontrollierte emission oder Absorption von Photonen. Die Speicherzeit von Überlagerungszuständen in Atomen erreicht 1ms, äquivalent zu 100 km Faserstrecke. Es existieren auch bereits erste Realisierungen der verschränkungserhaltenden Umwandlung von Photonen von typischen atomaren Wellenlängen in den Telekom-Bereich. Die vorhandenen Bausteine sind gut geeignet, um zu einer Quantenrepeater-Zelle zusammengeschaltet zu werden. Darauf basierend wird mit gespeicherten Atomen und Ionen eine elementare QR-Zelle auf der Basis von Photonenemission oder -reflektion und nachfolgender Bell-Messung realisiert werden.

Abb.: (a) Illustration der Implementierung einer QR-Zelle mit Hilfe einzeln adressierter (grün) Atome in einem optischen Resonator aus zwei Hohlspiegeln (blau). Nach asynchroner Aussendung je eines Photons (b) und (c) aus den beiden Atomen und deren Detektion beim Empfänger A und B (Repeat-until-success Strategie) werden die mit den Photonen verschränkten Atomzustände auf einen Bell-Zustand projiziert (d). Das Ergebnis dieser Messung wird an A und B klassisch kommuniziert (nicht dargestellt).