Verschränkte Photonentripel direkt erzeugt

Quantenmechanisch verschränkte Zustände sind eine wertvolle Ressource für die Quanteninformationsverarbeitung. Deshalb versuchen zahlreiche Forschungsgruppen, möglichst viele Teilchen oder Quanten kontrolliert miteinander zu verschränken. Jetzt haben Forscher in Kanada erstmals ohne die bisher nötige Nachauslese Photonentripel mit verschränkten Polarisationen hergestellt. Damit konnten sie angekündigte Bell-Zustände produzieren und umfangreiche Lokalitätstests durchführen.

Thomas Jennewein von der University of Waterloo und seine Mitarbeiter haben die Photonentripel durch gestaffelte parametrische Fluoreszenz erzeugt. Dabei griffen sie auf Erfahrungen zurück, die sie vor zwei Jahren bei ähnlichen Experimenten gemacht hatten. Damals hatten die Forscher für jedes Tripel die zufällig schwankenden Energien und Entstehungszeiten der drei Photonen miteinander verschränkt. Für die Quanteninformationsverarbeitung sind polarisationsverschränkte Photonen jedoch interessanter.

Die Forscher bestrahlten einen periodisch gepolten, optisch nichtlinearen Kristall, der sich in einem Sagnac-Interferometer befand, mit einem blauen Laserlicht von 404 Nanometern Wellenlänge. Die Laserphotonen, die im Polarisationszustand |V>+|H> waren, also zugleich horizontal und vertikal polarisiert, erzeugten Paare von roten Photonen mit Wellenlängen von 776 und 842 Nanometern im verschränkten Zustand |VV>+|HH>.

Während die Forscher von jedem Paar das langwellige Photon zurückbehielten, zweigten sie das kurzwellige in ein Mach-Zehnder-Interferometer ab, in dessen beiden Armen sich zwei weitere periodisch gepolte, optisch nichtlinearen Kristalle befanden. In ihnen entstanden aus den eingestrahlten roten Photonen Paare von Infrarotphotonen mit Wellenlänge von 1530 und 1570 Nanometern, die gemeinsam mit dem jeweils zurückbehaltenen roten Photon im Zustand |VVV>+|HHH>, also polarisationsverschränkt, waren. Durch Einfügen geeigneter optischer Komponenten ließ sich die Phase zwischen den beiden Polarisationskomponenten variieren, so dass beispielsweise der Zustand |VVV>–|HHH> entstand.

Zwar hatten andere Forscher durch einfache parametrische Fluoreszenz und Interferenz schon Gruppen aus bis zu acht polarisationsverschränkten Photonen erzeugt. Doch die verschränkten Gruppen ließen sich erst identifizieren, nachdem die Photonen detektiert waren. Mit solchen nachträglich ausgewählten polarisationsverschränkten Photonen lassen sich dann keine weiteren Experimente durchführen. Das ist bei den jetzt erzeugten Photonentripeln anders, wie Jennewein und seine Kollegen eindrücklich demonstriert haben.

Zunächst führte das Team zahlreiche Experimente durch, bei denen sie die Korrelationen des Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustandes |VVV>+|HHH> längs unterschiedlicher Polarisationsrichtungen maßen. Anhand der Ergebnisse konnten sie feststellen, dass die Ungleichungen von Mermin und Svetlichny deutlich verletzt waren, und zwar um zehn und fünf Standardabweichungen. Demnach lassen sich Theorien mit lokalen verborgenen Parametern als Erklärung für die gemessenen Polarisationen der drei Photonen ausschließen. Den erzeugten GHZ-Zustand unterwarfen die Forscher einer umfangreichen Zustandstomographie, bei der 27 verschieden Polarisationseinstellungen mit je acht verschiedenen Messergebnisse, also insgesamt 216 Resultate, zu berücksichtigen waren. Dazu musste die Zahl der detektierten Tripel gegenüber dem Experiment von 2010 deutlich erhöht werden. Das erreichten Jennewein und seine Mitarbeiter mit Hilfe von extrem empfindlichen Einzelphotonendetektoren, die aus supraleitenden Nanodrähten bestehen und bei 1550 Nanometern Wellenlänge eine Nachweiseffizienz von über 90 Prozent haben. Mit diesen Detektoren konnten die Forscher elf Tripel pro Minute – statt sieben pro Stunde – nachweisen.

Dann erzeugten die Wissenschaftler aus dem GHZ-Zustand einen angekündigten Bell-Zustand, indem sie eines der beiden roten Photonen einer Polarisationsmessung in diagonaler Richtung unterzogen. Je nach Messergebnis stand danach fest, ob die beiden verbliebenen Photonen im Bell-Zustand |VV>+|HH> oder VV>–|HH> waren. So konnte das Team pro Stunde 450 angekündigte verschränkte Photonenpaare messen. Anhand dieser Photonenpaare stellten die Forscher eine deutliche Verletzung der Bell-Ungleichung um mehr als drei Standardabweichungen fest. Mit gepulstem Laserlicht und dadurch möglichen Koinzidenzmessungen sollten sich angekündigte Photonenpaare noch effizienter erzeugen lassen.

Rainer Scharf

RK