Wiener Physiker verschränken Photonen in drei Dimensionen

29. Februar 2016, 17:13
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Komplexe Verschränkungszustände könnten in Quantencomputern oder Quantenkryptographie genutzt werden

Wien – Physikern aus Wien ist es erstmals gelungen, mehr als zwei Photonen in mehr als zwei Dimensionen zu verschränken, berichten sie im Fachjournal "Nature Photonics". Albert Einstein hat die Quantenverschränkung als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet. Denn der mit der klassischen Physik nicht nachvollziehbare gemeinsame Zustand von zwei oder mehreren Teilchen bedeutet, dass bei der Messung des einen Teilchens augenblicklich die Eigenschaft des zweiten Teilchens bestimmt wird, egal, wie weit weg es ist.

Den Physikern gelang es in der Vergangenheit bereits, bis zu 14 Teilchen miteinander zu verschränken. Mehr als zwei Teilchen in mehr als zwei Dimensionen zu verschränken, war bisher aber nicht möglich. "Um diesen Quantenzustand zu erzeugen, haben wir zwei verschränkte Photonen-Paare in mehreren Dimensionen derart manipuliert, dass daraus ein verschränktes System aus drei Teilchen entstand", erklärte Mehul Malik aus der Gruppe des Experimentalphysikers Anton Zeilinger von der Uni Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW.

Asymmetrische Verschränkung

Konkret stellten die Forscher zwei verschränkte Photonenpaare her und löschten mit einem sogenannten Quantenradierer die Information über den Ursprung der einzelnen Photonen. Damit sind alle vier Photonen miteinander verschränkt, genutzt werden können allerdings nur drei davon. Von diesen waren zwei in drei Dimensionen sowie ein Lichtteilchen mit den anderen in zwei Dimensionen verschränkt. Die Physiker bezeichnen dies als "asymmetrische Verschränkung".

Die Verschränkung in mehreren Dimensionen erfolgte über den Drehimpuls der Lichtteilchen. In einer Aussendung der Uni Wien vergleichen die Physiker dies mit Eiskunstläuferinnen, die grundsätzlich ihre Pirouetten im und gegen den Uhrzeigersinn drehen können. Verschränkt man sie in diesen zwei Dimensionen, würden sie sich alle drei perfekt synchron in die gleiche Richtung drehen. Zwei davon sind zusätzlich in einer weiteren Dimension verschränkt, was Malik mit einer zusätzlichen Bewegung bei der Pirouette vergleicht, etwa einem Sprung.

Kryptographische Sicherheit

Solche komplexen Verschränkungszustände dienen nicht nur der Erforschung grundlegender quantenmechanischer Konzepte. Die Physiker können sich auch eine Anwendung in künftigen Quantencomputern oder bei einer mithilfe von Quantenphänomenen verschlüsselten Kommunikation vorstellen. Sie haben auf Basis der neuen Quantenzustände auch ein neues Kommunikationsprotokoll entwickelt, das "absolute kryptographische Sicherheit" gewährleisten soll.

"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", erklärte Zeilinger. Neu an dieser Methode sei, dass mehrere Teilnehmer Informationen auf verschiedenen Ebenen miteinander abhörsicher teilen können. (APA, 29. 2. 2016)

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