Ungleiches Photonenpaar
Paarweise erzeugte ultraschmalbandige Photonen im Optischen und Infraroten zeigen Weg zur Quanteninformationsübertragung.
Quanteninformationen ließen sich mit Infrarotphotonen in Glasfasern abhörsicher über große Entfernungen übertragen. Zur Speicherung und Verarbeitung der Quantenbits eignen sich jedoch optische Photonen besser, die mit den IR-Photonen paarweise verschränkt sein müssten. Jetzt haben Forscher in Spanien eine Quelle für solch ungleiche Photonenpaare hergestellt, mit denen man dem „Quanteninternet“ wieder einen Schritt nähergekommen ist.
Abb.: Der Pump-Laser (426 nm) erzeugt im Lithiumniobatkristall (PPLN) zwischen den Spiegeln (M1 und M2) des Resonators Photonenpaare (606 nm und 1436 nm), die ausgekoppelt und anschließend detektiert werden. Ein Referenzlaser (606 nm) stimmt den Resonator auf die gewünschte optische Wellenlänge ab. (Bild: J. Fekete et al. / PRL)
Die Wissenschaftler um Julia Fekete und Hugues de Riedmatten vom Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Castelldefels haben durch spontane parametrische Abwärtskonversion aus blauen Laserphotonen mit 426 Nanometern Wellenlänge je ein gelbes Photon und IR-Photon mit 606 Nanometern bzw. 1436 Nanometern Wellenlänge erzeugt, die miteinander quantenmechanisch verschränkt waren. Dazu haben sie die Laserphotonen in einen periodisch gepolten Lithiumniobatkristall (PPLN) gestrahlt, der auf die drei Wellenlängen abgestimmt war.
Zur Übertragung von Quanteninformation über große Distanzen könnte man zwei solche ungleichen Photonenpaare verwenden, die an weit voneinander entfernten Orten erzeugt werden. Die beiden optischen Photonen (und die in ihnen enthaltene Information) ließen sich unabhängig voneinander in mit Praseodym-Ionen dotierten Kristallen aus Yttriumsilikat mehr als eine Sekunde lang speichern. Vor zwei Jahren hatten Forscher um de Riedmatten und Nicolas Gisin in ähnlichen Kristallen IR-Photonen immerhin 50 Nanosekunden lang gespeichert, wobei deren Verschränkung mit anderen Photonen erhalten blieb.
Bei der Informationsübertragung mit den ungleichen Photonenpaaren würden die beiden IR-Photonen durch Glasfasern zueinander gebracht und einer gemeinsamen Zustandsmessung unterzogen. Dabei würde die quantenmechanische Verschränkung von den Photonenpaaren auf die beiden zunächst voneinander unabhängigen optischen Photonen übergehen. Mit diesen weit voneinander entfernt gespeicherten Photonen könnten dann Quanteninformationen teleportiert werden.
Abb.: Geplante Übertragung von Quanteninformation mit zwei Exemplaren der neuen Photonenpaarquelle: Die beiden IR-Photonen (1436 nm) werden durch Glasfasern übertragen und einer gemeinsamen Messung unterzogen. Dadurch werden die in Kristallen oder mit Atomen gespeicherten optischen Photonen verschränkt. (Bild: APS / A. Stonebraker)
Zwar hatten die von den Forschern erzeugten optischen und infraroten Photonen schon die richtigen Wellenlängen für die Speicherung in den Praseodym-dotierten Kristallen bzw. für die Übertragung durch Glasfasern. Doch die spektrale Bandbreite der optischen Photonen war mit über 100 Gigahertz viel zu groß, als dass die Photonen die Praseodym-Ionen effizient anregen konnten. Mit einem Filter ließe sich zwar die dazu erforderliche Bandbreite von etwa 2 Megahertz erreichen, jedoch um den Preis einer stark verringerten Erzeugungsrate von Photonenpaaren.
Stattdessen haben Julia Fekete und ihre Kollegen die Bandbreite der Photonenpaare drastisch verringert. Dazu haben sie den periodisch gepolten Lithiumniobatkristall, mit dem die Photonenpaare erzeugt wurden, zwischen die Spiegel eines Resonators gesetzt. Indem sie einen Laser mit 606 Nanometern Wellenlänge, der mit den Praseodym-Ionen in Resonanz war, als Referenz in den Resonator strahlten, konnten sie diesen durch eine Rückkopplung sehr genau auf die gewünschte Wellenlänge abstimmen.
Da der Resonator sehr klein war, wurden in ihm durch den Lithiumniobatkristall nur wenige Schwingungsmoden um 606 Nanometer angeregt, deren Wellenlängen sich deutlich unterschieden. Jede dieser Moden hatte eine sehr geringe Bandbreite von nur etwa 2 Megahertz. Die entsprechenden Photonen waren also hinreichend schmalbandig, sodass es möglich erscheint, sie mit Hilfe der Praseodym-Ionen zu speichern. Je nach Wunsch ließen sich Photonen mehrerer Moden für ein Frequenzmultiplexing nutzen oder Photonen einer einzelnen Mode herausfiltern.
Mit zahlreichen Korrelationsmessungen demonstrierten die Forscher die hervorragenden Eigenschaften der von ihnen erzeugten Photonenpaare. So waren die beiden Photonen eines Paares über 104 Nanosekunden lang korreliert, und damit länger als alle Photonen, die man bisher durch spontane parametrische Abwärtskonversion erzeugt hatte. Die Differenz zwischen den beiden Photonenwellenlängen stellt ebenfalls einen Rekord da. Mit dem vorgestellten Verfahren könnte man natürlich auch langwelligere optische Photonen herstellen, die sich in anderen Kristallen oder mit isolierten Ionen speichern ließen. Für die Quanteninformationsübertragung stünde somit ein wichtiger Baustein zur Verfügung.
Rainer Scharf
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