Haben Photonen ein Gedächtnis?
Photonen sind im Experiment in der Lage, sich an frühere Zustände zu „erinnern“ und ihre ursprünglichen Quanteneigenschaften wiederzugewinnen.
Die moderne Quantenphysik ermöglicht viele interessante Anwendungen, die auf den faszinierenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme aufbauen. So lassen sich zum Beispiel das kohärente Verhalten und die enge Verschränkung quantenmechanischer Teilchen ausnutzen, um die Effizienz physikalischer Prozesse zu steigern. In der Realität jedoch sind Quantensysteme unvermeidlichen Einflüssen ihrer Umgebung ausgesetzt, die oft dazu führen, dass die sehr fragilen quantenmechanischen Zustände kontinuierlich zerstört werden und Informationen unwiederbringlich verloren gehen. Eine große Herausforderung der aktuellen Grundlagenforschung ist es daher, effiziente Strategien für die Beschreibung und Analyse sowie die Manipulation und Kontrolle von Quantensystemen in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung zu entwickeln.
Abb.: Der experimentelle Aufbau besteht aus HWP – Half-Wave Plate, QWP – Quarter-Wave Plate, IF – Interference Filter,
QP – Quartz Plate, PBS – Polarizing Beamsplitter, FP – Fabry-Pérot-Cavity, und SPD – Single-Photon Detector. (Bild: Liu et al., Nature Phys.)
Eine Kollaboration zwischen Forschergruppen am Physikalischen Institut der Universität Freiburg, am Turku Centre for Quantum Physics und am Key Laboratory of Quantum Information der Universität Hefei, China, bestätigt in vollem Umfang die in Freiburg und Turku entwickelten theoretischen Vorhersagen. Die Physiker konnten erstmals experimentell Quantensysteme durch gezielte Kontrolle der Umgebung so verändern, dass ein Rückfluss von Information aus der Umgebung stattfindet und somit die gewünschten, typisch quantenmechanischen Eigenschaften wiederhergestellt werden.
Der im Experiment nachgewiesene Effekt beruht auf der Quantennatur der Polarisation von Photonen. Neue experimentelle Methoden ermöglichen eine genaue Präparation und eine präzise Zustandstomographie dieser Teilchen. Dadurch lässt sich die zeitliche Entwicklung der Polarisation einzelner Photonen beim Durchgang durch doppelbrechende Materialien, wie zum Beispiel Quarz, im Detail verfolgen. Das Experiment zeigt: Photonen haben ein Gedächtnis, sind also in der Lage, sich an frühere Zustände zu erinnern und ihre ursprünglichen Quanteneigenschaften wiederzugewinnen. Die Ergebnisse versprechen eine Reihe von Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie.
ALU / OD
