Drei statt zwei: Forscher haben erstmals gleich drei miteinander verschränkte Photonen erzeugt. Solche Tripletts mit quantenphysikalisch verkoppelter Polarisation könnten neue Möglichkeiten unter anderem für das Verarbeiten von Daten mit Quantencomputern oder die quantenoptische Datenübermittlung eröffnen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.
Verschränkte Photonen gelten als vielversprechende Akteure bei Quantenanwendungen der Zukunft. Bisher jedoch war es Forschern nicht gelungen, mehr als zwei verschränkte Lichtteilchen auf einmal zu produzieren. Wollten sie drei Photonen verkoppeln, mussten sie Teilchen aus verschiedenen Quellen über mehrere Schritte miteinander kombinieren und dann diejenigen herausfiltern, die miteinander verknüpft zu sein scheinen. Weil jedoch bereits die Messung und Beobachtung der verschränkten Eigenschaft den sensiblen Kopplungszustand stört, sind diese nachträglich verschränkten Photonen nur für wenige Anwendungen einsetzbar.
Farbenspiel mit Lichtteilchen
Deny Hamel von der University of Waterloo in Ontario und seine Kollegen haben diese Probleme mit einer neuen Methode überwunden. Denn sie erlaubt es, drei Photonen zu erzeugen, deren Polarisation von Anfang an verschränkt ist. Dafür produzierten die Forscher zunächst ein blaues Lichtteilchen und schickten dieses durch einen speziellen Kristall, der es in zwei Tochterphotonen auftrennte. Jedes von ihnen besaß nur die halbe Energie des Ausgangsteilchens und leuchtete daher nicht mehr blau, sondern rot.
Durch entsprechende Manipulation des Kristalls sorgten die Physiker zudem dafür, dass beide dieser Tochterphotonen die gleiche Polarisation besaßen – das Licht dieses Laserstrahls schwang in jeweils der gleichen Richtung. Eines der beiden Tochterphotonen wurde dann durch einen weiteren Kristall geleitet und noch einmal aufgespalten. Dadurch entstanden zwei Infrarot-Lichtteilchen, die nun beide mit dem verbleibenden zweiten Tochterphoton verschränkt waren.
Vielseitig anwendbar
Als Ergebnis erhielten die Forscher damit jeweils drei Photonen, die in ihrer Polarisation verschränkt waren – die ersten Triplets dieser Art. „Eine Dreifache Photonen-Verschränkung direkt zu erzeugen, ohne nachträglich Selektion zu benötigen, ist ein signifikanter Fortschritt in der photonischen Quantenverarbeitung“, konstatieren die Forscher. Die Polarisation von Photonen gilt als eine vielversprechende Möglichkeit, Daten mit Hilfe der Quantenoptik zu verarbeiten oder zu kommunizieren, Die Richtung der Polarisation – vertikal oder horizontal – repräsentiert dabei die digitale Null oder Eins.
„Die einzigartigen Eigenschaften dieser Quelle ermöglichen es daher, sie für eine Vielzahl von Aufgaben einzusetzen“, sagen Hamer und seine Kollegen. So könnten solche Triplets für Protokolle der der Quantenkommunikation eingesetzt werden, beispielsweise in der Quantenkryptografie. Hinzu kommt: Die „Enkel“-Photonen haben eine Wellenlänge, die in heutigen Telekommunikations-Anwendungen häufig genutzt wird, sie könnte daher ohne Probleme beispielsweise durch Glasfaserkabel übermittelt werden. (Nature Photonics, 2014; doi: 10.1038/NPHOTON.2014.218)
(National Institute of Standards and Technology (NIST), 15.09.2014 – NPO)
