Hundertfach verschränkt
Erstmals gelingt eine Verschränkung von Photonen in 100 Dimensionen.
Quantenmechanische Verschränkungszustände können bei praktischen Anwendungen nützlich sein. Beispielsweise werden in der Quantenkryptographie Quanteneffekte genutzt, um verschlüsselte Nachrichten gegen Lauschattacken zu schützen. Bei quantenkryptographischen Experimenten verwendet man verschränkte Lichtteilchen, um Informationen zu übertragen. Photonen können auf verschiedene Arten Verschränkungszustände miteinander teilen – je komplexer diese jedoch sind, umso nützlicher sind sie. Eine Möglichkeit, komplexe Verschränkungszustände zu erzeugen, besteht darin, eine große Zahl von Photonen miteinander wechselwirken zu lassen. Sobald aber mehr als zwei oder drei Photonen im Spiel sind, wird es enorm schwierig.
Abb.: Beispiel komplexer Strukturen von Photonen, die im Verschränkungs-Experiment benutzt wurden. (Bild: M. Krenn, Univ. Wien)
Wiener Physiker um Anton Zeilinger sowie Mario Krenn, Doktorand in Zeilingers Gruppe an der Universität Wien, haben nun in Zusammenarbeit mit einem Forscher aus Barcelona eine alternative Methode gefunden, Verschränkungszustände hoher Komplexität zu erzeugen. Dazu nutzten sie räumliche Strukturen, die Photonen besitzen können, und setzten einen speziellen Kristall ein, in welchem Photonenpaare mit verschränkten räumlichen Mustern entstehen. Insgesamt haben die Forscher mehr als 200.000 verschiedene Messungen an über 750 Millionen Photonenpaaren vorgenommen. Um die enthaltene Verschränkung zu analysieren, mussten sie darüber hinaus neue mathematische Hilfsmittel entwickeln.
Als Resultat dieser Bemühungen konnten sie Verschränkungszustände erzeugen, für die normalerweise anstelle von zwei Photonen 13 benötigt werden. „Die analysierten Photonen waren mindestens 100-dimensional verschränkt“, sagt Mario Krenn. „Dass wir erstmalig einen solchen Grad an Komplexität mit zwei Photonen erreicht haben, ist ein wesentlicher Fortschritt, nicht zuletzt hinsichtlich praktischer Anwendungen“, ergänzt Anton Zeilinger.
Ziel ist es, die kontrollierte Erzeugung von solch komplexen Zuständen für technologische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Methode der Wiener Forscher wird dazu beitragen, grundlegende Aspekte der Quantenmechanik tiefer zu erkunden. Nachwuchswissenschafter Mario Krenn erklärt: „Eine offene Frage ist, ob die Menge an Information, welche räumlich getrennte Teilchen durch Verschränkung teilen können, fundamental beschränkt ist. Die Zustände, die wir nun erzeugen können, werden es ermöglichen, Experimente zur Beantwortung dieser Frage durchzuführen. Das war bislang nicht möglich.“
U. Wien / DE
