Weg frei für komplexe Quantennetzwerke

Drei „verdrehte" Photonen in drei Dimensionen verschränkt

Bislang war es nur möglich, verschränkte Vielteilchen-Quantenzustände in zwei Dimensionen zu erzeugen – wie im berühmten Gedankenexperiment zu Erwin Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebendig und tot sein kann.

Künstlerische Darstellung der verdrehten Photonenverschränkung. (Copyright: Faculty of Physics, University of Vienna)

Anton Zeilinger und einem Team von Physikern des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Wien und der Universität Autonoma de Barcelona ist es nun erstmals gelungen, drei Lichtteilchen in mehreren Dimensionen zu verschränken. Die Physiker verwendeten dazu eine besondere Eigenschaft von Photonen, den Drehimpuls des Lichts. Dieser neue hoch-dimensionale Drei-Teilchen-Quantenzustand zeigt, dass Quantenverschränkung noch vielfältiger sein kann als bisher angenommen – eine Anwendung, die auch in der Quantenkryptographie denkbar wäre. Die aktuelle Studie dazu erscheint im Fachmagazin Nature Photonics.

Verschränkung ist eine nicht-intuitive Eigenschaft in der Quantenmechanik, über die Physiker und Philosophen gleichermaßen nachdenken. Es scheint, als ob verschränkte Lichtquanten einander beeinflussen können, unabhängig von deren räumlicher Entfernung. Vergleichbar ist dies mit zwei Eistänzerinnen, die Pirouetten im und gegen den Uhrzeigersinn gleichzeitig drehen können. Die Besonderheit von zwei verschränkten Quanten-Eistänzerinnen ist, dass diese perfekt korrelierte Drehrichtungen besitzen. Wenn sich die eine Eistänzerin nach links dreht, dreht die andere ihre Pirouetten mit Sicherheit ebenfalls nach links, wobei sich diese auch auf einem anderen Kontinent befinden kann.

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Langzeitbelichtung eines Lasers mit verdrehter Wellenfront. Die Löcher im Strahl kommen von destruktiver Interferenz im Zentrum der Verdrehungen. (Copyright: Faculty of Physics, University of Vienna)

„Die verschränkten Photonen in unserem Experiment kann man sich veranschaulichen durch drei verschränkte Quanten-Eistänzerinnen, die ein perfekt synchron choreographiertes Quanten-Ballett tanzen", erklärt Mehul Malik, Erstautor der Studie. „Ihre Choreographie beschränkt sich nicht nur auf die Pirouetten, sondern gilt auch für andere zusätzlich korrelierte Bewegungen. Physiker haben diese Art von asymmetrischer Verschränkung bereits theoretisch vorhergesagt, wir zeigen nun zum ersten Mal, wie man solche Arten von Verschränkung im Labor erzeugen kann."

Anwendung: Quantenkryptographie
Um den verschränkten Drei-Photonen-Zustand herzustellen, benutzten die Wissenschaftler ein anderes Phänomen genannt „Quantenradierer". Dabei werden zwei hochdimensional verschränkte Photonenpaare derart miteinander kombiniert, dass es im Prinzip unmöglich ist, den Ursprung der einzelnen Photonen zu bestimmen. Mit diesem hochdimensional verschränkten Viel-Photon-Zustand können grundlegende quantenmechanische Konzepte erforscht werden. Durchaus denkbar ist auch die Anwendung solcher Zustände in Quantencomputern oder in quantenkryptographischen Kommunikationsprotokollen.

In diesem Sinne haben die Autoren ein neues Protokoll zur Kommunikation entwickelt, das mehrere Schichten an asymmetrisch verteilter Quanteninformation zwischen den Teilnehmern benützt, um absolute kryptographische Sicherheit zu gewährleisten. „Das Experiment macht es möglich, ein zukünftiges Quanteninternet zwischen mehr als zwei Teilnehmern zu initiieren, in dem man mit mehr als einem Bit an Information pro Photon kommunizieren kann", sagt Anton Zeilinger. Neu bei dieser Methode ist, dass mehrere Teilnehmer Informationen auf verschiedenen Ebenen miteinander abhörsicher teilen können.

Eine vereinfachte Darstellung des Experiments zur Erzeugung von Drei-Photon verdrehten Lichtteilchen. (Copyright: Faculty of Physics, University of Vienna)

Bis solche asymmetrischen Quantenkommunikationsprotokolle Wirklichkeit werden, gibt es noch einige technische Hürden zu überwinden. Angesichts des raschen technologischen Fortschritts hoffen die Forscher aber, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis diese komplexen Verschränkungszustände in zukünftigen Quantennetzwerken verwendet werden können.

Publikation:
Multi-Photon Entanglement in High Dimensions: Mehul Malik, Manuel Erhard, Marcus Huber, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger. Nature Photonics, 2016.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Mehul Malik
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation
Universität Wien sowie
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (ÖAW)
1090 Wien, Boltzmanngasse 3
E-Mail: mehul.malik@univie.ac.at

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