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4. Juni 2004

Quantenoptik und Atomphysik finden zueinander

Heidelberger Wissenschaftler legen die Fundamente künftiger Technologien der Informationsverarbeitung – Prof. Jörg Schmiedmayer und Dr. Jian-Wie Pan arbeiten an der Realisierung kleinster atomarer Schaltkreise, die Photonen zur Informationsübermittlung nutzen

Als sich Professor Dr. Jörg Schmiedmayer vor einigen Jahren mit seinem Kollegen Dr. Jian-Wei Pan darüber unterhielt, ob und wie sich Photonen zur Quanten-Datenübertragung über große Distanzen nutzen lassen könnten, dachte zunächst wohl noch keiner der beiden an eine feste Kooperation. Inzwischen arbeitet Jian-Wei Pan am Physikalischen Institut der Universität Heidelberg, wo er gemeinsam mit Jörg Schmiedmayer an den Grundlagen der Atomphysik und Quantenoptik forscht.

"Herr Pan hat früher in Wien bereits viel in den Bereichen der Quantenphysik und Quantenkommunikation – der Übertragung von Quantenbits – gearbeitet. Allerdings ist diese Art der Datenübertragung stets auf die Reichweite der Photonen limitiert. Bei einem Gespräch entstand nun die Idee, mehrere solcher Photonenstaffeln mittels einer von P. Zoller und I. Cirac in Innsbruck entwickelten Methode hintereinander zu hängen, was wiederum in den Bereich der Atomphysik hineinspielt. Und damit war die Idee einer Zusammenarbeit geboren", weiß Jörg Schmiedmayer zu berichten. In Heidelberg arbeiten die beiden Wissenschaftler jetzt an der Realisierung kleinster atomarer Schaltkreise, die Photonen zur Informationsübermittlung nutzen – was in einer vielleicht gar nicht allzu ferner Zukunft zu einem revolutionären Sprung in der Informationsverarbeitung führen könnte. "Das ist aber alles reine Grundlagenforschung", betont Professor Schmiedmayer. "Wir sind gerade erst dabei, die Basis späterer Anwendungen zu schaffen – das kann noch Jahre dauern." Gleichwohl merkt er an, dass die Halbleiterphysik über Jahrzehnte hinweg ein Feld anspruchsvoller Grundlagenforschungen war, bevor Mitte des letzten Jahrhunderts die Halbleiterelektronik und der Transistor ihren Siegeszug begannen. Wie die elektronische Revolution seitdem die Welt veränderte, ist bekannt. Ein Durchbruch im Bereich der Quantenkommunikation könnte ganz ähnliche Folgen haben.

In Heidelberg bemühen sich Jörg Schmiedmayer und Jian-Wei Pan um neue Wege in der Forschung. Denn sowohl in der Quantenoptik wie auch in der Atomphysik wurden in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten Systeme zur Durchführung von Quantenexperimenten entwickelt, was angesichts der Komplexität des Feldes ein schwieriges Unterfangen war. "Wir stellten uns schließlich selbst die Frage, ob sich das alles nicht vereinfachen ließe – indem man beispielsweise den Versuchsaufbau kleiner machen würde. Dahinter steckt die Idee, die ganze Atomphysik auf einen Chip – einen "Atomchip" sozusagen – zu setzen. Übrigens kam so auch unsere Homepage "www.atomchip.org" zu ihrem Namen. Dadurch könnte man die Atome besser kontrollieren. Wir könnten sie kühlen, dirigieren – was auch immer." Letztlich ließen sich Atome und Photonen im Sinne einer Datenverarbeitung in Verbindung bringen, wobei die Atome das Speichern übernehmen würden, und die Photonen die Übermittlung der Daten.

Jian-Wei Pan nun ergänzt die Arbeit von Jörg Schmiedmayer mit seinem Wissen um die Welt der Photonen. Seine Reputation steht dabei außer Zweifel – und das nicht erst, seitdem er als einer der ganz wenigen Nicht-Europäer zuerst ein Marie-Curie-Stipendium erhielt, inzwischen eine E. Noether-Nachwuchsgruppe der DFG in Heidelberg leitet, und durch seine Doktorarbeit zum Spezialisten der Quantenteleportation wurde. Ein Thema übrigens, dem auch die Wissenschaftszeitschrift Nature derart große Aufmerksamkeit widmete, dass dem Thema im vergangenen Jahr sogar das Titelbild gewidmet wurde. Der Artikel selbst befasste sich mit der grundlegenden qualitativen Verbesserung der Übertragung von Quanteninformation – der "Reinigung von verschränkten Zuständen", wie der Fachausdruck lautet, an der auch Dr. Pan beteiligt war. Mit dieser Technologie wird eines der größten Probleme der Übertragung von Quanteninformation überwunden, die so genannte Dekohärenz – die Wechselwirkung der übertragenen Information mit der Umwelt, welche einen signifikanten Qualitätsverlust bewirkt. Dieser erschwerte bisher die Verwirklichung von Anwendungen der Quanteninformation und Quantenkommunikation erheblich. Zugrunde liegt das Prinzip der Verschränkung, die von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet wurde: Bei der Erzeugung von zwei verschränkten Quantensystemen – in diesem Fall sind es Lichtteilchen, so genannte Photonen – beeinflusst die Messung an einem Quantensystem den Zustand des zweiten. Die Dekohärenz bewirkt nun, dass die Qualität der Verschränkung zweier perfekt verschränkter Paare mit der Zeit beeinträchtigt wird. Die Quantenpurifikation, also die Reinigung verschränkter Zustände, ermöglicht die Erzeugung eines perfekt verschränkten Paares aus zwei weniger gut verschränkten. Konkret ermöglicht diese Überwindung der Dekohärenz Quantenkommunikation über lange Distanzen, zum Beispiel in der Quantenkryptographie und der Quantenteleportation. Auch in Quantencomputersystemen, die mit verschränkten Zuständen arbeiten, können diese Paare nun "gereinigt" werden.

"In Heidelberg kann ich meine Forschung in einem der weltweit führenden Teams für Atomoptik fortsetzen", erklärt Dr. Jian-Wei Pan. "Vor allem deshalb habe ich mich für die Forschungsgruppe von Professor Schmiedmayer entschieden, kann ich doch hier Versuche zur Quantenkommunikation ebenso realisieren wie Experimente zur Quantenteleportation und Quantenkryptographie." Zugleich schränkt der aus Dongyang in der chinesischen Provinz Zhejiang gebürtige Forscher aber bescheiden ein: "Obwohl ich viel Erfahrung auf diesen Gebieten habe, bin ich nicht sonderlich firm auf dem Feld der Atomoptik. Deshalb sehe ich mein Wissen vor allem als Ergänzung. Denn eine Kombination der Photonen- mit der Atomoptik könnte gänzlich neue Forschungsansätze offenbaren. Und das könnte für die Zukunft der Quantenkommunikation einen enormen Fortschritt bedeuten."

Auch Jörg Schmiedmayer sieht die Chancen dieser Zusammenarbeit, die sich natürlich nicht nur auf ihn und seinen Kollegen aus China beschränkt. "Wenn es uns gelingt, Manipulationen von Materie statt im bisher klassischen physikalischen Sinn quantenmechanisch durchzuführen, wäre das eine Revolution, die sich durchaus mit der der Elektronik vergleichen ließe. Und wenn einmal die Quantenmanipulation in der Informationsverarbeitung einsetzbar wäre, könnte das ähnlich weit reichende Folgen haben, wie der Sprung ins Informationszeitalter. Doch bis es soweit ist, vergehen wahrscheinlich noch viele Jahre. Wir wissen heute ja noch nicht einmal, ob wir gegenwärtig mit der "richtigen" Technologie arbeiten. Das wird die Zukunft zeigen – sie alleine wird uns deutlich machen, welche Probleme wir mit Quanteninformation vielleicht einmal lösen könnten. Vorher aber müssen erst einmal die grundlegende Physik der neuen Technologien entwickelt werden, um die grundlegenden Versuche überhaupt durchführen zu können." Dass dafür Heidelberg der ideale Ort ist, ist beiden Forschern klar. Wobei Jian-Wei Pan die Wahl der Neckarstadt als künftigem wissenschaftlichem Arbeitsplatz auch aus anderem Grund leicht fiel: "Heidelberg ist eine der schönsten und liebenswertesten Städte, die ich je gesehen habe", erklärt der junge Wissenschaftler verschmitzt. Gut, wenn ein Universitätsstandort auch mit solchen Pfunden wuchern kann.

Heiko P. Wacker

Rückfragen von Journalisten bitte an:
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
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und
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