Angekündigter Zufall

Neue Photonenquelle ermöglicht Nachweis von verschränktem Zustand ohne Messung.

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Österreichische Physiker um Philip Walther und Anton Zeilinger von der Fakultät für Physik der Universität Wien und vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt, ohne diesen zu messen.

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Eine Messung in der Quantenmechanik heißt im Allgemeinen auch eine Zerstörung des quantenmechanischen Zustandes – die Teilchen können für keine weitere Quantenrechnung verwendet werden. Die Anwendbarkeit eines optischen Quantencomputers war dadurch bisher stark begrenzt.

Die von den Wiener Forschern realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. "Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen", erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, sind die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit ein wichtiger Schritt.

Universität Wien, Österreich

AL