Elementarteilchen mögen Teamwork
Rahmen für Mehrteilchen-Quantenholonomien vorgestellt, der auch verschiedene Zwei-Teilchen-Holonomien in integrierter Photonik.
Im Zentrum der Quantenmechanik steht die Annahme, dass alles aus bestimmten Elementarteilchen besteht, die nicht weiter geteilt werden können. Vera Neef, Doktorandin am Institut der Physik an der Universität Rostock, ging der Frage nach: „Gibt es etwas, was zwei Teilchen nur gemeinsam schaffen können? Etwas, das für ein Teilchen alleine unmöglich zu erzielen ist?“ Im Zentrum der Experimente des Rostocker Teams standen Photonen. Von ihnen können identische Quanten zur selben Zeit am selben Ort sein, eine Eigenschaft, die sie ziemlich einzigartig macht.
„Mit einem leistungsstarken Laser erzeugen wir Wellenleiter in einem Stück Glas,“ erklärt Senior Research Fellow Matthias Heinrich. Diese Form der „Licht-Autobahn“ gibt die Richtung der Photonen vor. Genau wie Fahrzeuge auf der Autobahn die Spur wechseln können, können Photonen von einem Wellenleiter zum nächsten springen.
Man stelle sich eine mehrspurige Autobahn vor, bei der jede einzelne Spur zu einem anderen Ziel führt. Darauf fährt ein Auto, das eine sehr wichtige Nachricht transportiert. Dabei ist von großer Bedeutung, welche Autobahnausfahrt dieses Auto nimmt. Allerdings können schon kleinste Fehler das Auto auf die falsche Spur bringen. Alexander Szameit, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik, erklärt die Relevanz dieser Forschung: „Um irgendwann einen Quantencomputer bauen zu können, müssen wir in der Lage sein, den Weg der Photonen genau zu kontrollieren. Allerdings sind Photonen ziemlich empfindlich. Nicht einmal die beste Ingenieurskunst kann garantieren, dass niemals ein Photon im falschen Wellenleiter landet.“
Hier greift jetzt die Teamstrategie: „Um diesem Problem zu begegnen, verwenden wir nun ein Paar von Photonen, statt, wie bisher, die Daten in einem einzelnen Photon zu speichern. Anders gesagt: Wir verteilen die Nachricht auf zwei Autos“, erklärt Vera Neef. Jedes einzelne Auto habe nach wie vor eine gewisse Wahrscheinlichkeit, auf der falschen Spur zu landen. Die Chance aber, dass beide Autos versehentlich dasselbe falsche Ziel erreichen, sei verschwindend gering. Dabei gilt die Nachricht nur als vollständig, wenn beide Autos am selben Zielort eintreffen. Falls ein Auto alleine an einem Ziel eintrifft, wird die Nachricht als unvollständig verworfen. „Wir waren selbst überrascht, wie gut unsere Methode funktioniert“, kommentiert Neef. „Als wir die Eigenschaften unserer sprichwörtlichen Licht-Autobahn absichtlich um zehn Prozent verschlechtert haben, haben sich unsere Messergebnisse fast nicht verändert.“
Die kürzlich veröffentlichte Arbeit erweitert das mathematische Konzept der Holonomien von einzelnen Teilchen auf Teilchenpaare und größere Gruppen. Damit werden nicht nur wichtige Grundlagen für die Herstellung von Quantencomputern geschaffen, sondern auch neue Möglichkeiten eröffnet, Elementarteilchen zu erforschen, die sich zu Atomen zusammenfinden. [U Rostock / dre]
