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Physiker verschränken Photonenpaare in mehreren Dimensionen © ÖAW/Klaus Pichler
Physiker verschränken Photonenpaare in mehreren Dimensionen © ÖAW/Klaus Pichler

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Neue Produktionsmethode für verschränkte Photonenpaare entwickelt

16.10.2020

Für zukünftige Quantencomputer und abhörsichere Quantenkommunikation werden Teilchen benötigt, die wie durch Zauberhand durch das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung verbunden sind. Wiener Physiker haben nun eine neue Methode zur einfachen Herstellung verschränkter Photonenpaare entwickelt, die nicht nur in einer, sondern in mehreren Dimensionen verschränkt sind, berichten die Forscher im Fachjournal "Pnas". So lässt sich mehr Information übertragen.

Das Phänomen der Verschränkung ist eine charakteristische Eigenschaft der Quantenmechanik. Dabei bleiben zwei oder mehrere Teilchen auf scheinbar paradoxe Weise auch über große Distanzen miteinander verbunden. Dies erlaubt ihnen scheinbar, einander ohne Zeitverzögerung zu beeinflussen.

Kopf und Kopf, Zahl und Zahl

Könnte man etwa zwei Münzen verschränken, könnte man eine davon werfen und dann schauen, ob Kopf oder Zahl oben liegt. Gleich wie das Ergebnis ist, sobald man nachschaut, liegt augenblicklich auch bei der anderen Münze die entsprechende Seite oben - auch wenn diese beliebig weit entfernt ist. Bei der Münze mit den Möglichkeiten Kopf oder Zahl würde es sich um eine zweidimensionale Verschränkung handeln. Könnte man Spielwürfel verschränken, wäre es eine sechsdimensionale Verschränkung, gibt es doch für jede Seite des Würfels sechs Möglichkeiten.

Die Physiker verschränken weder Münzen noch Würfel, sondern Teilchen. Handelt es sich dabei um Photonen, kann die Verschränkung zum Beispiel über die Polarisation, die Schwingungsrichtung des Lichts, realisiert werden. Das Photonenpaar kann dabei entweder horizontal oder vertikal polarisiert sein - und ist daher in zwei Dimensionen verschränkt. Mittlerweile können die Forscher aber routinemäßig auch Quantensysteme mit höherdimensionalen Verschränkungen herstellen.

Dreidimensionale Verschränkung

Physiker der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) haben nun eine komplett neue Methode entwickelt, mit der sich Photonenpaare einfach in mehreren Dimensionen verschränken lassen. Dafür werden sogenannte nichtlineare Kristalle so angeordnet, dass sich nicht sagen lässt, welcher Kristall ein Photonenpaar emittiert, wenn das System mit einem Laser angeregt wird.

Weil im Experiment drei dieser speziellen Kristalle verwendet wurden, waren die Photonenpaare dreidimensional verschränkt. "Theoretisch lässt sich die Zahl der Verschränkungsdimensionen mit unserem Ansatz fast grenzenlos steigern. Die praktische Grenze liegt wahrscheinlich zwischen zehn und 20 Dimensionen", erklärte der Erstautor der Arbeit, Jaroslav Kysela, aus der Gruppe des Experimentalphysikers und ÖAW-Präsidenten Anton Zeilinger in einer Aussendung der ÖAW.

Mit jedem weiteren Kristall - und damit jeder weiteren potenziellen Quelle für ein Photonenpaar - würde sich auch die Zahl der Verschränkungsdimensionen erhöhen. In den Experimenten waren die Photonen nicht über ihre Polarisation, sondern über ihren sogenannten Bahndrehimpuls verschränkt.

Der Vorteil von höherdimensional verschränkten Teilchensystemen liegt darin, dass sie mehr Information übertragen können bzw. Quantenkommunikation sicherer wird. "Quantenkommunikation ist theoretisch auch bei zweidimensionaler Verschränkung sicher. Aber im Rauschen des Signals kann sich immer ein unerwünschter Lauscher verstecken. Das wäre mit unserem Ansatz unwahrscheinlicher", sagt Kysela.

Service: https://doi.org/10.1073/pnas.2011405117

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