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Wie bei QR-Code Information in räumliche Protonen-Struktur einschreiben © APA (dpa)
Wie bei QR-Code Information in räumliche Protonen-Struktur einschreiben © APA (dpa)

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Physiker können komplexe "Quanten-QR-Codes" gezielt verändern

06.02.2020

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 05/2020 und nicht zwingend tagesaktuell

Der Informationsaustausch auf Basis der eigentümlich anmutenden Regeln der Quantenmechanik verspricht viele technologische Anwendungsmöglichkeiten. Um diese neue Form der Kommunikation leistungsfähiger zu machen, setzen Wiener Forscher auf höherdimensionale Quantenzustände. Diese Art "Quanten-QR-Code" konnten die Physiker nun erstmals gezielt verändern, wie sie im Fachblatt "optica" zeigen.

Um mit Hilfe von Quantensystemen Information zu transferieren, wird das Phänomen der Verschränkung genutzt. Es besagt, dass zwei Teilchen - etwa Photonen - wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind.

Misst man an einem dieser Teilchen beispielsweise die Richtung der Lichtschwingung (Polarisation), zeigt sich, dass das Partnerteilchen auch in der selben Richtung schwingt. Diese Polarisation kennt aber nur zwei unterscheidbare Zustände, also zum Beispiel horizontal oder vertikal polarisiert. Damit bleibt man pro Photon bei der Kapazität von einem bit.

Übermittlung größerer Informationsmengen durch Quantengatter

Man kann aber auch Information in die räumliche Struktur einzelner Photonen einschreiben. Das kann man sich so wie einen QR-Code vorstellen, wo räumliche Strukturen in Ausbreitungsachse eben ein kompliziertes Muster ergeben. Im Prinzip kann man damit eine gewaltige bit-Menge pro Photon übertragen, man muss allerdings dafür auf einzelnen Photonen komplizierte Transformationen, sogenannte Quantengatter, packen.

Mit diesen höherdimensionalen Quantengattern kann viel mehr Information pro Photon sicherer und störungsfreier übermittelt werden, was die Übertragungsraten bei der Quantenkommunikation erhöht und die Rauschanfälligkeit vermindert. Auch das Team um Marcus Huber vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Wien nutzt diesen Ansatz.

"Es gelingt uns schon recht gut, diese hochdimensionalen Systeme hinsichtlich ihrer räumlichen Eigenschaften zu verschränken", so Huber im Gespräch mit der APA. Vergleichbar sei das mit den bekannten QR-Codes. Verändert man hier das eine oder andere schwarze oder weiße Quadrat, ändert sich auch der Informationsgehalt. Auch vielschichtig räumlich verschränkte Photonen, die von einem Ort zum anderen geschickt werden, erzeugen etwa beim Auftreffen auf einem Bildschirm verschiedene Muster oder vielmehr Hologramme: "Das ist räumliche Codierung."

Bisher war es aber nicht möglich einen "Quanten-QR-Code 1" gezielt in einen "Quanten-QR-Code 2" zu transformieren, erklärte Huber. In Zusammenarbeit mit ursprünglich in Wien tätigen Kollegen, die nun in Finnland und Kanada arbeiten, ist es dem Team gelungen, aus einer "Quelle, die immer die gleich codierte Lichtquanten produziert, durch eine lokale Manipulation jeden beliebigen anderen Code zu machen", sagte Huber. Vereinfacht gesagt, produzierte eine solche Quelle bisher immer einen Quanten-QR-Code mit bestimmter Information. Nun können die Physiker daraus aber gezielt einen anderen Code machen, um diesen dann zu übertragen.

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