Quantenkopplung von Licht und Schall

Über die Verschränkung sind zwei oder mehr Teilchen so stark miteinander verbunden, dass der Zustand eines Teilchens den Zustand des anderen instantan beeinflusst, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Das Phänomen ist die Voraussetzung für sichere Quanten­kommunikation und hochdimen­sionales Quanten­computing. Photonen können sich sehr schnell ausbreiten und dabei Quante­ninformationen trans­portieren. Deshalb ist die Erzeugung von Verschränkung zwischen Photonen­paaren mittels nichtlinearer Optik ein etabliertes Verfahren. Forschende am Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts haben sich nun mit der Frage befasst, wie eine Verschränkung zwischen sehr unter­schiedlichen Entitäten hergestellt werden kann. Das ist bei sich ausbreitenden Schallwellen, also Phononen und optischen Photonen, der Fall. Das vorgeschlagene optoakustische Verschränkungsverfahren basiert auf der Brillouin-Mandelstam-Streuung. Es ist besonders belastbar, lässt sich in Quanten-Signal­verarbeitungs-Schemata integrieren und ist bei hohen Umgebungs­temperaturen einsetzbar.

Einstein nannte es eine „spooky action at a distance“. Die Verschränkung hat schon immer in vielerlei Hinsicht fasziniert, da sie eng mit unserem Verständnis der grundlegenden Natur­gesetze verbunden ist. Quanten­korrelationen zwischen Teilchen können selbst dann bestehen bleiben, wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Auf praktischer Ebene ist die Quantenverschränkung das Herzstück vieler neu entstehender Quantentechnologien. In der Optik ist die Verschränkung von Photonen grundlegend für sichere Ansätze in der Quanten­kommunikation oder im Quanten­computing. 

Allerdings sind Photonen instabil. Daher wird für bestimmte Anwendungen nach prak­tikablen Alter­nativen gesucht, wie etwa Quantenspeicher oder Quanten­repeater-Schemata. Eine solche Alternative ist der akustische Bereich, in dem Quanten in akustischen Wellen und Schallwellen gespeichert werden. Die Forschenden haben nun einen besonders effizienten Weg gefunden, wie Photonen mit akustischen Phononen verschränkt werden könnten: Während die beiden Quanten entlang derselben photonischen Strukturen wandern, bewegen sich die Phononen mit einer sehr viel geringeren Geschwin­digkeit. Dem liegt ein optischer nichtlinearer Effekt, die Brillouin-Mandelstam-Streuung, zugrunde. Er ist für die Kopplung von Quanten auf grund­verschiedenen Energieskalen verantwortlich.

So konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass das vorgeschlagene Verschränkungs­schema bei Temperaturen im zweistelligen Kelvin-Bereich funktionieren kann. Das ist viel höher als die Temperaturen, die bei Standardansätzen erforderlich sind. Diese verwenden oft teure Geräte wie Verdünnungs­kühler. Die Möglichkeit, dieses Konzept in Glasfasern oder photonisch integrierten Chips umzusetzen, macht den Mechanismus für moderne Quanten­technologien besonders interessant.

MPL / JOL