Kontinuierliche Photonen-Verschränkung auf einem Chip

Für Quantencomputer und die sichere Übertragung von Quanten­information nutzen zahlreiche Arbeits­gruppen einzelne, miteinander verschränkte Licht­teilchen. Statt solcher Photonen­paare, die sich einen gemeinsamen Zustand teilen, ist auch die kontinuierliche Verschränkung von Lichtstrahlen, also von vielen Photonen mit vielen Photonen, möglich. Dabei sind die Amplituden und Phasen von zwei Lichtfeldern quantenmechnisch miteinander korreliert. An der Universität Tokio gelang es nun der Arbeitsgruppe um Akira Furusawa, diese kontinuierliche Verschränkung von Licht­feldern auf einen einzigen Photonik-Chip zu integrieren.

„Mit dieser Technologie können wir einen Operations­verstärker für Quanten­zustände entwickeln“, sagt Furusawa. Dieser könnte für die weitere Entwicklung von Quanten­computern eine wichtige Rolle spielen. Zusammen mit seinen Kollegen konzipierte Furusawa einen Photonik-Chip, auf dem sie vier Wellenleiter-Interferometer parallel anordneten. Jedes Interferometer fungierte als ein abstimmbarer Strahl­teiler. Wurde ein Laserstrahl in einen Wellenleiter eingespeist, ließ er sich in zwei miteinander verschränkte Lichtfelder aufteilen. Über eine Widerstands­heizung konnten die Forscher die optischen Eigen­schaften der Wellen­leiter so beeinflussen, dass sich die Licht­spaltung im Strahl­teiler kontrollieren ließ.

Um den Grad der Verschränkung der Lichtfelder zu überprüfen, lenkten die Wissenschaftler je zwei Lichtstrahlen über eine Glasfaser auf einen nach­geschalteten Detektor. Mit Hilfe der homodynen Detektion überprüften sie, in welchem Maß die Zustände der beiden Lichtstrahlen voneinander untrennbar waren. Dabei wurden die beiden verschränkten Lichtstrahlen mit zwei Referenz­signalen zusammengeführt. Bei dieser Messung veränderten die Forscher die Phasen­verschiebung der Referenz­signale. Wie erwartet, zeigten sich die verschränkten Licht­strahlen unempfindlich gegenüber jeder Phasen­verschiebung. Genau dieses Phasen-insensitive Verhalten gilt als Kriterium für die erzielte Verschränkung.

Dieses Experiment zeigt, wie sich auf einem handlichen Chip Lichtfelder kontinuierlich miteinander verschränken lassen. Nur Verluste beim Ein- und Auskoppeln der Lichtsignale verminderten die Qualität der Verschränkung. Doch hofft Furusawa, in Zukunft auch Photo­dioden direkt auf einem Photonik-Chip integrieren zu können, um diese Verlustquelle zu beseitigen. Bereits in früheren Versuchen ließen sich kontinuierlich verschränkte Lichtfelder mit Quantenbits aus Photonen oder Ionen koppeln. So ist es nicht ausgeschlossen, dass solche Photonik-Chips in Zukunft tatsächlich als Operations­verstärker in Quanten­computer eingesetzt werden.

Jan Oliver Löfken

DE