Photonen im 3D-Irrgarten

Ein Forscherteam der Uni Rostock ist es gelungen, drei­dimen­sionale Netzwerke für Photonen zu entwickeln. Die neu­ge­wonnene Komplexität gibt Paaren von verschränkten Licht­teilchen voll­kommen neue Frei­heiten und macht sie für hoch­leistungs­fähige Quanten­computer nutzbar. „Licht kann schneller rechnen als unsere Computer“, sagt Team­leiter Alexander Szameit, der Grund­lagen­forschung zum optischen Quanten­computer betreibt. Dabei hat er insbesondere Quanten­netz­werke im Blick.

Das Internet besteht aus einem gewaltigen Sammel­surium an Einträgen, die durch Hyper­links mitein­ander verbunden sind. Die Herstellung eines ebenso dichten Netzwerks stellt eine der bedeutend­sten Heraus­forde­rungen für heutige Quanten­techno­logien dar. „Das World Wide Web aus Punkten und Verbin­dungen zu zeichnen ist kinder­leicht. Man braucht dafür nur Stift und Papier – und sehr viel Geduld“, scherzt Szameit angesichts der Komplexität sozialer Netzwerke. Die technische Umsetzung für Quanten­netz­werke ist jedoch noch weit anspruchs­voller. „Die Verbin­dungen sind das Problem“, bringt Szameit die physi­ka­lischen Hinder­nisse auf den Punkt.

Sein Team kann mithilfe laser­ge­fertigter Schalt­kreise die räum­liche Aus­breitung von Licht­teilchen in Glas­chips gezielt steuern. Jetzt ist es in Zusammen­arbeit mit Wissen­schaftlern aus Freiburg und Innsbruck gelungen, die Polari­sation als zusätz­lichen Freiheits­grad einzu­beziehen. „Das ist ein Durch­bruch. Wir haben für die Licht­teilchen eine zusätz­liche Dimension gewonnen,“ erklärt Szameit. Denn die Forscher haben auf einen Schlag nicht nur doppelt so viele Punkte, sondern auch doppelt so viele Verbin­dungen für jeden Einzelnen davon.

Neben Design und Herstellung gehört auch die Erprobung der Strukturen zum experi­men­tellen Reper­toire des Teams. „Wenn alle Wege nach Rom führen, dann nimmt Licht auch alle Wege“, so skizziert Team-Mitglied Max Ehrhardt das vielfältig ein­setz­bare Verhalten der Photonen in den maß­ge­schnei­derten Netz­werken. „Photonen sind fast wie Menschen. Kaum haben sich Paare gefunden, kann man sie nur noch zu zweit antreffen.“ Dieses Verhalten konnte das Team mit den neu­artigen Netz­werken verändern. Die Forscher haben gezielt Bereiche in den Netz­werken geschaffen, in denen die Photonen­paare nur einzeln anzu­treffen sind.

„Die zusätzlichen Wege geben den Photonen die Möglich­keit zum Social Distancing, aber auch dazu, wieder zuein­ander zu finden“, fasst Szameit die Experi­mente zusammen. Trotz dieses bedeutenden Fort­schritts in der Grund­lagen­forschung auf dem Gebiet der Quanten­optik und der inte­grierten Photonik sind noch einige Hürden zu nehmen, bis licht­basierte Quanten­techno­logien und neuronale Netz­werke erfolg­reich Einzug in unser Leben nehmen können.

U. Rostock / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Ehrhardt et al.: Exploring complex graphs using three-dimensional quantum walks of correlated photons, Sci. Adv. 7, eabc5266 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abc5266
• AG Experimentelle Festkörperoptik (A. Szameit), Institut für Physik, Universität Rostock