Verschränkte Mikrowellenphotonen in Massen

Verschränkte Photonenpaare sind ein wertvoller „Rohstoff“, den man für die quantenmechanische Grundlagenforschung ebenso braucht wie für die Quantenteleportation, also die Übertragung von Quantenzuständen. Bisher hat man fast nur optische Photonen verschränkt. Doch nun kommen auch Mikrowellenphotonen in den Fokus. Mit ihnen kann man in supraleitenden Schaltkreisen Quanteninformation auf supraleitende Qubits schreiben und auch wieder auslesen. Jetzt haben französische Forscher erstmals paarweise verschränkte Mikrowellenphotonen in räumlich getrennten Moden erzeugt.

Michel Devoret und seine Kollegen von der Ecole Normale Supérieure in Paris benutzten bei ihrem Experiment zwei „Josephson-Mixer“. Das sind ca. vierzig Mikrometer große quadratische Schaltkreise mit jeweils vier Josephson-Kontakten, die von supraleitenden Aluminiumbahnen zu einem Ring verbunden werden. Mikrowellenphotonen, die dem Mixer von außen zugeführt werden, breiten sich nahezu verlustlos längs der supraleitenden Bahnen aus. Die Josephson-Kontakte koppeln die Mikrowellen nichtlinear miteinander, sodass z. B. aus einem Photon mit der Frequenz f zwei Photonen entstehen können, deren Frequenzen sich zu f addieren.

Die Forscher speisten in einen Josephson-Mixer über zwei Eingänge die Vakuumfluktuation des elektromagnetischen Feldes als Quantensignale ein. Dabei ließen sie die Eingänge offen, kühlten sie aber – wie den ganzen Schaltkreis – auf eine Temperatur von 45 Millikelvin, bei der die thermische Energie kT viel kleiner war als die Photonenenergie. Die beiden Quantensignale sollten verstärkt und dabei miteinander verschränkt werden. Dazu koppelten Devoret und seine Kollegen zwei supraleitende Resonatoren mit den Mikrowellenfrequenzen fa und fb an den Mixer an und pumpten ihn zudem mit Mikrowellen der Summenfrequenz f = f_a + f_b.

Der Mixer verstärkte daraufhin die beiden Quantensignale des Inputs parametrisch, wobei zwei verrauschte Mikrowellen mit den Frequenzen f_a bzw. f_b entstanden. Die beiden Wellen breiteten sich räumlich getrennt im jeweiligen Resonator aus. (Bei früheren Experimenten hatte man solche Wellen nur im selben Resonator erzeugt, die somit nicht räumlich getrennt waren.) Für sich genommen zeigte jede der beiden Mikrowellen nur thermisches Rauschen, doch aufgrund des gemeinsamen Verstärkungsprozesses wiesen die beiden Rauschsignale starke Korrelationen auf. Die beiden Mikrowellen waren in einem „gequetschten“ Zweimodenzustand, aus dem sich ein Interferenzsignal gewinnen ließ, dessen Rauschen wesentlich schwächer war als das thermische Rauschen der einzelnen Mikrowellen.

Dieser gequetschte Zweimodenzustand bedeutete für die Photonen der beiden Mikrowellenmoden, dass sie paarweise miteinander verschränkt waren. Dabei geriet die Verschränkung der Photonen umso größer, je geringer das Rauschen des Interferenzsignals – im Vergleich zum Rauschen der einzelnen Moden – war. Um dies zu ermitteln, führten die Forscher die beiden Mikrowellen einem zweiten Josephson-Mixer zu, der wie der erste mit einem Mikrowellenfeld der Summenfrequenz f gepumpt wurde.

Dieser Mixer überlagerte die beiden Mikrowellen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Wege eine Phasendifferenz besaßen, und machte ihre Verschränkung rückgängig. An den beiden Ausgängen des Mixers trat Mikrowellenrauschen auf, dessen Stärke von der Phasendifferenz abhing, die die Forscher stetig ändern konnten. Wenn die Phasendifferenz ein ungerades Vielfaches von π war, so fiel das Rauschen besonders schwach aus, es war sogar deutlich schwächer als das Rauschen der einzelnen Mikrowellenmoden. Darin sehen die Forscher einen klaren Beweis, dass sie tatsächlich verschränkte Mikrowellen und somit auch verschränkte Mikrowellenphotonen erzeugt haben.

Zwar gingen viele Photonen auf ihrem Weg von der Erzeugung im ersten Josephson-Mixer zu ihrem Nachweis im zweiten Mixer verloren, doch die Forscher schätzen, dass immerhin noch etwa sechs Millionen paarweise verschränkte Photonen pro Sekunde von einem Mixer zum anderen gelangten. Devoret und seine Kollegen glauben, dass die verschränkten und räumlich getrennten Mikrowellenphotonen im Zusammenspiel mit supraleitenden Qubits oder nanomechanischen Resonatoren viele neue Möglichkeiten eröffnen, etwa für die Teleportation oder die Quantenverschlüsselung.

Rainer Scharf

PH