Nahezu perfekter Detektor für Quantencomputer

Physikern der Universität des Saarlandes ist es nun erstmals gelungen, einen Photodetektor für Mikrowellen zu entwickeln, der mit nahezu hundertprozentiger Effizienz arbeitet. Dieser soll später einmal in Quantencomputern seinen Dienst verrichten. Die Quantenkommunikation nutzt einzelne Lichtteilchen, um Informationen zu übertragen. Dabei werden die Lichtteilchen von Photodetektoren in elektrische Signale umgewandelt. Die physikalische Messgrenze der Strahlungsmessung ist dann erreicht, wenn einzelne Photonen, also unteilbare Einheiten der Strahlung, detektiert werden können. Bisher setzte man hierzu meist Photonen im Bereich des sichtbaren Lichts ein.

Seit einigen Jahren nutzen Wissenschaftler aber auch Photonen mit Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen zwischen 1 und 300 Gigahertz. Die Erzeugung und die Messung der Photonen findet dabei auf einem winzigen Computerchip statt, bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts. "Lange galt es aber als prinzipiell unmöglich, einzelne Quanten von Mikrowellen zu zählen, da deren Energie rund 100.000 mal schwächer ist als die Energie von Lichtteilchen", erklärte Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Theoretische Physik an der Saar-Uni.

In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Nordamerika gelang den Forschern der Saar-Uni dies nun aber. Ihr neues elektronisches Bauelement kann einzelne Mikrowellenphotonen detektieren. Dieser so genannte Josephson-Photomultiplikator bildet die Arbeitsweise normaler Photonendetektoren in einem kompakten elektronischen Bauelement nach.

Er wurde dabei so weiterentwickelt, dass er Photonen mit nahezu hundertprozentiger Effizienz nachweisen kann. Dabei kommt ein besonderes Merkmal der Quantenphysik zum Tragen: Die Teilchen können in der Quantenwelt mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Sobald eine Messung erfolgt, bleibt nur noch ein einziger Zustand übrig: Der ermittelte Messwert.

"Praktisch bedeutet das, dass sich Zustände von Quantensystemen bei der Beobachtung verändern", erläutert Wilhelm-Mauch. Indem man Quanteneffekte bereits im Detektor gering hält kann man diese Auswirkung allerdings möglichst klein halten und so recht klare Ergebnisse erzielen. Die Saarbrücker Physiker erwarten, dass diese Detektoren einerseits eingesetzt werden, um Elemente von Prozessoren in Quantencomputern zu vernetzen. Andererseits erlaubt diese Messung von Mikrowellen am Quantenlimit auch Anwendungen in der Astrophysik bei der Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Suche nach dunkler Energie.