Photonen im 3D-Irrgarten

Dreidimensionale Netzwerke geben verschränkten Lichtteilchen neue Freiheiten und machen sie für hochleistungsfähige Quantencomputer nutzbar.

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.

Abb.: Licht­teilchen im 3D-Netz­werk: Photonen bewegen sich ent­lang der...
Abb.: Licht­teilchen im 3D-Netz­werk: Photonen bewegen sich ent­lang der Ver­bin­dungs­stränge durch kom­plexe Netz­werke. Dabei sam­meln sie sich in der oberen und unteren Schicht und prak­ti­zieren in der Mitte eine Art „Social Distancing“. (Bild: M. Ehr­hardt, U. Rostock)

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

 

 

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

Meist gelesen

Themen