Verschränkte Atome im Innsbrucker Quantennetzwerk

Gefangene Ionen wurden bisher nur über kurze Distanz im Labor miteinander verschränkt. Nun haben die Teams um Tracy Northup und Ben Lanyon an der Universität Innsbruck zwei Ionen über eine Distanz von 230 Metern Luftlinie miteinander verschränkt. Die Knoten des Netzwerks waren in zwei Labors am Campus Technik untergebracht. Das Experiment zeigt, dass Ionen eine vielversprechende Plattform für Quantennetzwerke sind, die sich in Zukunft über Städte und schließlich ganze Kontinente erstrecken werden.

Gefangene Ionen sind eines der führenden Systeme für den Bau von Quantencomputern und anderen Quantentechnologien. Um mehrere solcher Quantensysteme miteinander zu verbinden, braucht es Schnittstellen, über die die Quanteninformation übertragen werden kann. Dazu haben Forscher um Tracy Northup und Ben Lanyon am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck in den letzten Jahren ein Verfahren entwickelt, bei dem die Atome in optischen Resonatoren gefangen werden, so dass die Quanteninformation effizient auf Lichtteilchen übertragen werden kann. Die Lichtteilchen können dann durch Lichtleiter geschickt werden, um Atome an verschiedenen Orten miteinander zu verbinden. Nun haben deren Forschungsgruppen, gemeinsam mit Theoretikern um Nicolas Sangouard von der Université Paris-Saclay, erstmals zwei Ionen über eine Distanz von mehr als nur wenigen Metern miteinander verschränkt.

Plattform für den Bau von Quantennetzwerken

Die beiden Quantensysteme waren in zwei Laboren aufgebaut, eines im Gebäude des Instituts für Experimentalphysik und eines am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. „Bisher wurden gefangene Ionen nur im gleichen Labor über wenige Meter miteinander verschränkt. Dies wurde auch mit gemeinsamen Kontrollsystemen und Photonen (Lichtteilchen) realisiert, die auf Grund ihrer Wellenlänge nicht dafür geeignet sind, größere Entfernungen zurückzulegen.“, erklärt Ben Lanyon. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung haben die Innsbrucker Physiker*innen es nun geschafft, zwei Ionen über den Campus hinweg miteinander zu verschränken. „Wir haben dazu einzelne mit den Ionen verschränkte Photonen über einen 500 Meter langen Lichtleiter geschickt und miteinander überlagert. Dies überträgt die Verschränkung auf die beiden Ionen.“, schildert Tracy Northup das Experiment. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung zukünftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind.“

Die Teams von Ben Lanyon und Tracy Northup sind Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des Quantum Flagship der Europäischen Union. Die aktuellen Ergebnisse wurden im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union.

Publikation: Entanglement of trapped-ion qubits separated by 230 meters. V. Krutyanskiy, M. Galli, V. Krcmarsky, S. Baier, D. A. Fioretto, Y. Pu, A. Mazloom, P. Sekatski, M. Canteri, M. Teller, J. Schupp, J. Bate, M. Meraner, N. Sangouard, B. P. Lanyon, T. E. Northup . Phys. Rev. Lett. 130, 050803 doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.050803

Physics Synopsis: Trapped Ions Go the Distance

Foto/c-Uni Innsbruck/Harald Ritsch