Forscher beamen Photonenpärchen

Beamen – was vor einigen Jahren noch in den Bereich von Science Fiction-Romanen gehörte, gelang Forschern erstmals vor nicht ganz zehn Jahren für Lichtteilchen, also Photonen. In zahlreichen weiteren Experimenten zur Teleportation wurde die Information über den quantenmechanischen Zustand eines einzelnen Photons nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch innerhalb eines Gebäudes oder sogar über eine Entfernung von 600 Meter teleportiert. Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, den Zustand zweier verschränkter Photonen zu beamen.

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Das Experiment zeigt mit der Teleportation eines Zweiteilchenzustandes, dass auch die Informationen komplexerer Systeme teleportiert werden können, so die Forscher um Jian-Wei Pan von der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature physics.

M.Sc. Alexander Goebel vom Physikalischen Institut vergleicht die Teleportation mit der Geschichte um einen Mann, der mit einem verschlossenen Koffer von Frankfurt nach New York reist. In den USA angekommen stellt er fest, dass er den Kofferschlüssel zu Hause vergessen hat. Unter klassischen Bedingungen ist das Problem schnell gelöst; er lässt sich eine Skizze des Schlüssels via Fax nachschicken und kann diesen sofort duplizieren. Benötigt man zum Öffnen des Koffers jedoch den Quantenzustand des Schlüssels, beispielsweise eines Photons, ist dies nicht mehr möglich. Dies ist eine Konsequenz der Gesetze der Quantenmechanik, die es unmöglich machen den Zustand eines unbekannten Systems beliebig genau zu messen bzw. diesen zu kopieren.

Um dieses Problem zu umgehen, bedient man sich zweier verschränkter Hilfssysteme (Photonen). Verschränkt bedeutet, dass die beiden Photonen nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können. So steht beispielsweise die Polarisation der Photonen bei ihrer Entstehung noch nicht fest. Wird jedoch für das eine Photon eine vertikale Polarisation gemessen, so ist für das andere Photon automatisch eine horizontale Polarisation festgelegt, und umgekehrt. Dies ist sogar der Fall, wenn sich die einzelnen Photonen nach einiger Zeit an räumlich weit getrennten Orten befinden. Mit Hilfe dieser beiden Photonen und eines zusätzlichen klassischen Kanals wie etwa eines Telefons, ist es möglich den Quantenzustand des Schlüsselphotons in die USA zu übertragen.

Verschränkte Photonen

Auf dem etwa zwei mal zwei Meter großen Labortisch stellt sich das Experiment natürlich viel komplizierter dar. Laser, Spiegel, Filter und Kristalle sind hier in einer bestimmten Reihenfolge und mit festgelegten Abständen aufgebaut. 76 Millionen Lichtpulse schickt der Laser pro Sekunde durch die Filter und Kristalle. "Eine Herausforderung war die optische Manipulation der Photonen auf engstem Raum", erläutert die Diplom-Physikerin Claudia Wagenknecht eine Problematik des Experimentes.

So entstehen einige zehntausend miteinander verschränkte Photonenpaare pro Sekunde, gleichzeitig werden aber nur alle zehn Sekunden sechs paarweise miteinander verschränkte Photonen gebildet. Gegenüber den bisherigen Experimenten gelang den Heidelberger Wissenschaftlern damit eine etwa hundertfach höhere Ausbeute. Eine notwendige Voraussetzung für das Experiment, denn um die Information eines Photonenpaares, und damit eines zusammengesetzten Quantenzustandes, auf die anderen beiden Photonenpaare zu übertragen, sind eben drei gleichzeitig gebildete Photonenpaare notwendig.

Mit der Teleportation miteinander verschränkter Photonen eröffnen sich neue Möglichkeiten für weitere Entwicklungen, wie etwa für die Quantenkommunikation oder den Quantencomputer.

(idw – Universität Heidelberg, 31.10.2006 – DLO)