Drei "verdrehte" Photonen in drei Dimensionen verschränkt - Photonik

Drei "verdrehte" Photonen in drei Dimensionen verschränkt

Verschränkte Vielteilchen-Quantenzustände ließen sich bislang nur in zwei Dimensionen zu erzeugen. Forschern der Universitäten Wien und Barcelona ist es nun gelungen, drei Photonen in mehreren Dimensionen zu verschränken.

Bild: Faculty of Physics, University of Vienna
Künstlerische Darstellung der verdrehten Photonenverschränkung

Verschränkung ist eine nicht-intuitive Eigenschaft in der Quantenmechanik. Verschränkte Lichtquanten können sich scheinbar beeinflussen, 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. Nun haben Anton Zeilinger und ein Physikerteam des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Wien und der Universität Autonoma de Barcelona in einer Studie dargelegt, wie man drei Photonen in drei Dimensionen verschränkt. "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."

Zukünftiges Kommunikationsprotokoll

Diese Art asymmetrischer Verschränkung bereits theoretisch von Physikern vorhergesagt worden. Nun wird erstmalig im Labor gezeigt, wie sich derartige Verschränkung erzeugen lassen. 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.So könnte in Zukunft ein Quanteninternet zwischen mehr als zwei Teilnehmern bestehen, in dem man mit mehr als einem Bit an Information pro Photon kommunizieren kann, so Anton Zeilinger. Neu bei dieser Methode ist, dass mehrere Teilnehmer Informationen auf verschiedenen Ebenen miteinander abhörsicher teilen können.

Auch wenn die Realisierung solcher asymmetrischen Quantenkommunikationsprotokolle noch einige technische Hürden nehmen muss, ist es nach Ansicht der Forscher nur eine Frage der Zeit, bis diese komplexen Verschränkungszustände in zukünftigen Quantennetzwerken verwendet werden können.

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

www.univie.ac.at

www.oeaw.ac.at

 
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