Drei Photonen auf einen Streich
Dreiphotoneninterferenz bietet Schlüssel für Quantenkryptographie.
In der Kryptographie werden „gemeinsame Geheimnisse“ (shared secrets) zum Beispiel dazu verwendet, um die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Personen zu schützen. Zugang zur Information haben die Teilnehmer nur gemeinsam, in dem jeder Beteiligte seinen Schlüssel zur Verfügung stellt. Vergleichbar ist dies mit einem Tresor, der nur geöffnet werden kann, wenn das Schloss mit mehreren Schlüsseln gemeinsam betätigt wird. Einen vergleichbaren Quantenschlüssel haben nun Forscher um Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gemeinsam mit einem Team um den Österreicher Thomas Jennewein an der University of Waterloo in Kanada erzeugt.
Abb.: Skizze des Experiments, um drei Lichtteilchen miteinander zu verschränken, ohne dass sie aber paarweise interferieren. (Bild: S. Agne et al., Phys. Rev. Lett.)
Um das Experiment zu realisieren, brachten die Innsbrucker Forscher ein von ihnen gebautes Interferometer nach Kanada. Dort hat das Team um Thomas Jennewein eine Photonenquelle realisiert, die drei Lichtteilchen gleichzeitig aussendet. Es teilt ein blaues Photon in drei langwelligere auf. Für die Messung solcher infraroten Lichtteilchen benötigten die Forscher sehr empfindliche Detektoren. „Früher war es sehr schwierig, langwellige Photonen zu messen“, erzählt Experimentalphysiker Gregor Weihs. „Seit kurzem gibt es aber sehr effiziente Detektoren basierend auf supraleitenden Drähten, ohne die unser Experiment gar nicht möglich gewesen wäre.“ Das Streben nach Erkenntnisgewinn gab hier den Anstoß für eine technologische Entwicklung, die auch für die Anwendung interessant ist. „Solche empfindlichen Detektoren sind etwa für die Quantenkryptographie über lange Strecken unentbehrlich“, sagt Weihs.
Mit der Photonenquelle in Kanada und dem Interferometer aus Tirol war es den Wissenschaftlern möglich, eine echte Dreiphotoneninterferenz zu realisieren. „Das Spannende daran ist, dass die drei Photonen nur gemeinsam interferieren, nicht aber einzeln oder paarweise“, erläutert Thomas Kauten, der das von ihm in Innsbruck konzipierte Interferometer nach Kanada begleitet hat und dort an den Messungen beteiligt war. Diese erfolgreiche Verschränkung von drei Lichtteilchen öffnet den Blick auf futuristische Anwendungen. So könnten die Photonendrillinge Träger eines „shared secret“ für die Quantenkryptographie sein. „Das Verfahren könnte aber auch dazu genutzt werden, ganz grundlegende Annahmen der Quantenmechanik zu überprüfen“, sagt Gregor Weihs.
Die Innsbrucker Physiker haben inzwischen eine neue Photonenquelle gebaut – ebenfalls gemeinsam mit kanadischen Wissenschaftlern, dieses Mal am National Research Council Canada in Ottawa. Die neue Quelle besteht aus einem Nanodraht, in den zwei, nahe beieinanderliegende Quantenpunkte eingebaut sind. „Einzelne Quantenpunkte funktionieren wie künstliche Atome. Was wir hier gebaut haben, ist eigentlich ein künstliches Molekül“, zeigt sich Gregor Weihs begeistert. „Mit diesem ist es möglich, beinahe gleichzeitig drei Photonen unterschiedlicher Farbe zu erzeugen.“ Da dieses Verfahren deutlich effizienter ist, wollen die Wissenschaftler um Gregor Weihs nun weitere Verschränkungsexperimente mit der neuen Photonenquelle unternehmen.
U Innsbruck / JOL
