Qutrit statt Qubit: Forscher verschränken drei Photonen

    5. November 2018, 06:00
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    Wiener Forscher probierten bei Quantenverschränkung neuen Ansatz aus

    Wien – Wiener Quantenphysiker haben es erstmals geschafft, drei Photonen dreidimensional miteinander zu verschränken. Im Fachblatt "Nature Photonics" stellte das Team um Manuel Erhard und Anton Zeilinger seinen experimentellen Ansatz vor, der es erlauben dürfte, zukünftig deutlich mehr Information von einem Ort zum anderen zu "teleportieren" als bei herkömmlichen Ansätzen.

    Hintergrund

    Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung besagt, dass zwei Teilchen – etwa Photonen – wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind. Misst man an einem dieser Teilchen beispielsweise die Richtung der Lichtschwingung (Polarisation), zeigt sich, dass das Partnerteilchen auch in der selben Richtung schwingt.

    Da die Information sozusagen von einem auf das andere Teilchen überspringt, spricht man von "Quantenteleportation". Das eröffnet einen neuen Weg der Übertragung und lässt Wissenschafter und Unternehmen intensiv über technische Anwendungen, wie ein Quanteninternet oder Quantencomputer nachdenken. Gleichzeitig will man so viel Information wie möglich in die Quantensysteme packen. Entscheidend für all das ist, dass diese sehr störungsanfälligen und schwer zu realisierenden Systeme auch effektiv kontrolliert werden können.

    Neuer Ansatz

    Weltweit versuchen Physiker die Anzahl an zweidimensional verschränkten Systemen – sogenannten Qubits – zu erhöhen. Die Wiener Wissenschafter haben sich nun daran gemacht, nicht nur mit Systemen zu arbeiten, wo sich gleich drei Photonen in einer sogenannten Greenberger-Horne-Zeilinger-(GHZ)Verschränkung befinden, sondern diese auch in drei Dimensionen verbunden sind.

    Da diese Idee experimentell jedoch sehr schwierig umzusetzen ist, bemühten die Physiker einen von ihnen in den vergangenen Jahren entwickelten Computer-Algorithmus namens "Melvin". Dieses Computerprogramm sucht selbstständig nach Möglichkeiten zur Umsetzung. Um "Melvins" Vorschläge dann tatsächlich zu realisieren, musste allerdings ein neuer Multi-Port entwickelt werden: "Dieser Multi-Port bildet das Herzstück unseres Experimentes und kombiniert die drei Photonen so, dass diese miteinander in drei Dimensionen verschränkt werden", so Erhard.

    Qutrit statt Qubit

    Diese neuen "Qutrit-Verschränkungszustände", wie sie die Wissenschafter in ihrer Arbeit nennen, können nun deutlich mehr Information kodieren, als das bei Qubits der Fall ist. Mit diesem Sonderfall der Verschränkung könne man sich einerseits neuen grundlegenden Fragen zum Verhalten von Quantensystemen annähern und andererseits auch neue technologische Ideen verfolgen.

    "Ich denke, die Methoden und Technologien die wir im Zuge dieser Publikation entwickelt haben, ermöglichen einen höheren Anteil der gesamten Quanteninformation eines einzelnen Photons zu teleportieren. Dies könnte für Quantenkommunikationsnetze wichtig sein", so Zeilinger. (APA, red, 5. 11. 2018)

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