Grenzenlos verschränkt

Die quantenmechanische Verschränkung von Photonenpaaren übersteht selbst eine 144 Kilometer weite Reise.

Teilchen, die quantenmechanisch verschränkt sind, können ihr Verhalten enger miteinander abstimmen, als es nach den Gesetzen der klassischen Physik möglich ist. Albert Einstein mochte sich damit nicht abfinden. Er glaubte, dass die Quantentheorie in dem von ihr beanspruchten Gültigkeitsbereich noch keine vollständige Beschreibung der physikalischen Realität gibt. Dank John Bells berühmter Ungleichung wurde es experimentell entscheidbar, ob die Quantentheorie durch eine lokale klassische Beschreibung der Realität ersetzt werden kann. Alle bisherigen Experimente sprechen indes dagegen. Inzwischen wird die Verschränkung praktisch genutzt, so in der Quantenkryptographie, der Teleportation oder beim Quantum Computing. Wie robust die Polarisationsverschränkung von Photonenpaaren ist, haben jetzt Forscher um Anton Zeilinger untersucht.

Vor zwei Jahren hatten die Wiener Forscher Schlagzeilen gemacht, als sie mit Hilfe von polarisationsverschränkten Photonen abhörsicher zwischen den 144 Kilometer voneinander entfernten Inseln La Palma und Teneriffa kommunizierten. Durch parametrische Abwärtskonversion in einem nichtlinearen Bariumboratkristall hatten sie aus einzelnen kurzwelligen Photonen verschränkte Paare von langwelligen Photonen erzeugt. Während jeweils ein Photon im Labor auf La Palma blieb und dort untersucht wurde, flog sein Partner nach Teneriffa. Wenn das Photon dort unbeschadet ankam, wurde es mit einem 1 m großen Teleskop aufgefangen und analysiert. Polarisationsmessungen an vielen Photonenpaaren zeigten, dass die Photonen weiterhin verschränkt waren. Die Verschränkung ließ sich zur abhörsicheren Erzeugung eines nur dem Sender und Empfänger bekannten Codes nutzen, mit dem dann Nachrichten verschlüsselt werden konnten.

Hat die Verschränkung zweier Photonen aber auch Bestand, wenn beide den 144 km langen Weg zurücklegen? Das haben die Wiener Forscher in einem neuen Experiment untersucht. Dazu wurde ein Photon eines jeden Paares umgehend auf die Reise nach Teneriffa geschickt, während das andere auf La Palma für 50 ns in einer Glasfaser geparkt wurde, bevor es seinem Partner nachfolgte. Von den etwa 106 Photonenpaaren, die pro Sekunde auf die Reise gingen, kamen nur etwa 4 Paare pro Minute im Labor auf Teneriffa an. Dort wurde ihre Polarisation längs einer von vier vorgegebenen Richtung gemessen. Die Korrelationen zwischen den Messergebnissen für die zeitverzögert eintreffenden Photonen eines Paares wurden berechnet und mit Hilfe der Clauser-Horne-Shimony-Holt-Ungleichung ausgewertet. Klassisch korrelierte Polarisationen erfüllen die CHSH-Ungleichung mit der oberen Schranke 2. Für die beobachteten Photonenpaare ergab sich hingegen der Wert 2,612 ± 0,114, der um 5 Standardabweichungen über dem klassischen Wert liegt. Die Photonen waren somit nach 144 km Reise noch verschränkt.

Damit sollte es auch möglich sein, verschränkte Photonen zwischen einem Satelliten in der Erdumlaufbahn und einer Bodenstation auszutauschen, da der störende Einfluss der Erdatmosphäre vergleichbar ist. So ließe sich ein weltumspannendes quantenkryptographisches Übertragungssystem aufbauen, das die Entfernungsbeschränkungen einer Übertragung von verschränkten Photonen in Glasfasern überwinden kann. In Zusammenarbeit mit der ESA bereiten die Forscher ein Experiment vor, bei dem von der Internationalen Weltraumstation ISS aus verschränkte Photonen an weit voneinander entfernte Empfänger auf der Erde geschickt werden sollen. Die Photonen können dann für die Quantenkryptographie oder Quantenteleportation genutzt werden.

RAINER SCHARF


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Alessandro Fedrizzi et al.: High-fidelity transmission of entanglement over a high-loss free-space channel. Nature Physics online publication (3.5.2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys1255
  http://arxiv.org/abs/0902.2015 
• Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Wien:
  http://www.quantum.at/
  

Weitere Literatur:

• R. Ursin et al.: Entanglement-based quantum communication over 144 km. Nature Physics 3, 481 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys629 
• Rupert Ursin et al.: Space-QUEST: Experiments with quantum entanglement in space.
  http://arxiv.org/abs/0806.0945 
• Otfried Gühne & Géza Tóth: Entanglement detection. Physics Reports 474, 1 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004
  http://arxiv.org/abs/0811.2803v3 

AL