28.05.2021 • Quantenoptik / Photonik

Auslöschung durch Symmetrie

Photonen müssen für eine gegenseitige Aufhebung nicht völlig ununterscheidbar sein.

Eines der faszinierenden Phänomene der Quantenwelt ist die Interferenz, die vom Wellencharakter der Teilchen herrühren. So kann es beim Aufeinandertreffen von Quantenteilchen durch die Überlagerung ihrer Wellenzüge zur Überhöhung oder Auslöschung kommen. Dieser Effekt zeigt sich etwa beim Doppelspalt-Experiment oder auch beim Hong-Ou-Mandel-Effekt: Hier bewirkt die Interferenz zweier ununterscheidbarer Photonen, die durch einen Strahlteiler fliegen, dass die Lichtteilchen immer paarweise an einem der beiden Ausgänge anzutreffen sind. Forscher der Uni Innsbruck haben dieses Experiment jetzt erweitert und untersucht, wie die Interferenz mehrerer Quantenteilchen zur Unterdrückung bestimmter Ausgangszustände führt.

Abb.: Laboraufbau zur Erzeugung der Photonen: Ein nichtlinearer Kristall wird... — Abb.: Laboraufbau zur Erzeugung der Photonen: Ein nichtlinearer Kristall wird mit einem starken blauen Laser beleuchtet. Dadurch entstehen Photonenpaare, welche über die roten Pfade in optische Fasern gekoppelt und zu der untersuchten Wellenleiterstruktur geleitet werden. (Bild: U. Innsbruck)

Die Wissenschaftler verwendeten dazu eine optische Wellenleiterstruktur mit sieben Ein- und Ausgängen. Hergestellt wurde diese symmetrische Struktur mittels Ultrakurzpuls-Laserstrukturierung einer Glasplatte an der Uni Rostock. In dieser Struktur können sich die Amplituden der Lichtteilchen überlagern. Abhängig von der Anordnung der eingangsseitig eintreffenden Photonen zeigen sich an den Ausgängen bestimmte Muster, die von der Interferenz der Lichtteilchen abhängig sind. Nur wenn die Photonen gleichzeitig eintreffen, können sie auch interferieren. Treffen die Photonen hingegen verzögert ein, sind sie unterscheidbar und es kommt zunächst zu keiner Interferenz.

Die Forscher der Uni Innsbruck haben nun die Photonen in unterschiedlichen Kombinationen in die Wellenleiterstruktur geschickt und die Muster am Ausgang analysiert. Dabei zeigte sich ähnlich wie beim Hong-Ou-Mandel-Effekt, dass auch die Interferenz mehrerer Teilchen bei symmetrischen Eingangszuständen zu Auslöschungen an den Ausgängen der Wellenleiter führen kann. Interessanterweise genügt es, wenn jeweils zwei Photonen miteinander ununterscheidbar sind, diese Photonenpaare untereinander aber durch zeitlich verzögertes Eintreffen am Eingang unterscheidbar sind.

„Während man bisher davon ausgegangen war, dass alle Teilchen völlig ununterscheidbar sein müssen, damit es zur Auslöschung kommt, konnten wir in unserem Experiment zeigen, dass auch eine teilweise Ununterscheidbarkeit dafür ausreicht, solange die symmetrisch eintreffenden Teilchen ununterscheidbar sind“, erläutert Julian Münzberg von der Uni Innsbruck. Diese Ergebnisse liefern wichtige Einsichten für die Informationsverarbeitung mit identischen Quantenteilchen. Die Ergebnisse decken sich mit theoretischen Vorhersagen. Die Forscher wollen nun vorhandene experimentelle Fehler weiter reduzieren, um die Resultate noch stichhaltiger zu machen. Dazu sollen in Zukunft Quantenpunkte als Photonenquelle zum Einsatz kommen.

U. Innsbruck / RK