Ein Kommunikationsnetz, mit dem man Quanteninformation zwischen Kontinenten teleportieren kann – das ist eines der ambitionierten Ziele von Prof. Arno Rauschenbeutels Forschung am Atominstitut der TU Wien. Mit Hilfe von Glasfaserkabeln koppelt er Atome und Licht und entwickelt so die entscheidenden Grundbausteine für zukünftige Quantenkommunikationstechnologien. Vom Europäischen Forschungsrat wird diese Arbeit nun mit einem ERC Consolidator Grant gefördert.

Ultradünne Glasfasern
Die Glasfasern, mit denen in der Forschungsgruppe von Arno Rauschenbeutel experimentiert wird, sind bloß fünfhundert Nanometer dick – das ist weniger als die Wellenlänge des Lichts, das durch sie hindurchgeleitet wird. Die Lichtwelle passt daher gar nicht vollständig in die Faser, sie ragt noch ein Stück nach außen. „Genau in diesem Bereich knapp außerhalb der Faser, wo noch ein elektromagnetisches Feld zu spüren ist, können wir Atome an das Licht ankoppeln“, erklärt Rauschenbeutel.

Auf diese Weise lässt sich eine sehr effiziente Kopplung zwischen Materie und Licht erzielen – und die benötigt man, um quantenmechanische Verschränkungen herzustellen. Wenn zwei Objekte quantenphysikalisch verschränkt werden, etwa zwei Photonen oder aber ein Photon und ein Atom, dann sind ihre Zustände stärker miteinander korreliert, als man mit herkömmlicher Alltagslogik erklären kann. Diese Verschränkung spielt eine zentrale Rolle für zukünftige Quantenkommunikationsnetze oder Quantencomputer.

Speicher und Quanteninformationsverarbeitung
„Damit Quanteninformation eines Tages in unserem Alltag Einzug halten kann, brauchen wir zunächst drei wichtige Elemente“, sagt Rauschenbeutel. „Eine Quelle für Photonen mit den genau richtigen Eigenschaften, einen Quantenspeicher, mit dem die Information zuverlässig aufbewahrt werden kann, und eine nichtlinearen Wechselwirkung, die Photonen miteinander verschränkt.“ An diesen drei Zielen soll an der TU Wien nun im Rahmen des ERC-Projektes gearbeitet werden.

Überlagern sich zwei Lichtwellen im freien Raum, beeinflussen sie sich gegenseitig überhaupt nicht – somit kann auch keine quantenphysikalische Verschränkung zwischen ihnen entstehen. Um Licht mit anderem Licht wechselwirken zu lassen, benötigt man ganz spezielle optische Materialien. Normalerweise funktioniert das nur bei sehr hohen Lichtintensitäten. Bei Quantenexperimenten interessiert man sich aber ganz besonders für niedrige Lichtstärken – etwa für die Verschränkung von bloß zwei Photonen.

Genau dafür sind die Glasfasern mit angekoppelten Atomen bestens geeignet. „Wählt man Licht, dessen Wellenlänge genau auf die verwendeten Atome abgestimmt ist, kann man derart starke nichtlineare Wechselwirkungen erzeugen, dass sich zwei einzelne Photonen miteinander verschränken lassen müssten“, sagt Arno Rauschenbeutel. Solche Verschränkungen will er nun mit Hilfe der ERC-Förderung erzeugen und untersuchen.

Internationale Karriere
Arno Rauschenbeutel studierte in Düsseldorf, London und Bonn, seine Doktorarbeit schrieb er an der Ecole normale supérieure in Paris. Als Assistent kehrte zunächst nach Bonn zurück, dann wurde er Professor an der Universität Mainz. Ende 2010 wurde Arno Rauschenbeutel schließlich ans Atominstitut der TU Wien berufen. Seine Forschungsgruppe ist Teil des interuniversitären Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ). Sein ERC Consolidator Grant ist mit zwei Millionen Euro dotiert, die Laufzeit beträgt fünf Jahre.

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Rückfragehinweis:
Prof. Arno Rauschenbeutel
Atominstitut
Vienna Center for Quantum Science and Technology
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141761
arno.rauschenbeutel@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien

Quantum Physics & Quantum Technologies ist – neben Computational Science & Engineering, Materials & Matter, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Erforscht werden mögliche Anwendungen von Quantenphänomenen. Diese reichen von fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen über Strahlungsquellen für ultrakurze Photonenpulse bis hin zur Steuerung der Zustände einzelner Atome und damit zu Bauelementen für den Quantencomputer.

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