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