20/03/2014

Universität Wien

Erstmals Quantenverschränkung in 100 Dimensionen

Ein wesentliches Phänomen der Quantenphysik sind sogenannte Verschränkungszustände, wobei Teilchen in einer scheinbar paradoxen Art und Weise miteinander verbunden sind. Verschränkungszustände bilden die Grundlage für neuartige technologische Anwendungen. In vielen Fällen kann deren Nützlichkeit durch erhöhte Komplexität gesteigert werden. Ein Forscherteam rund um den Wiener Physiker Anton Zeilinger hat nun die komplexesten Verschränkungszustände nachgeweisen, die bislang mit Photonen – elementaren Lichtteilchen – geschaffen wurden. Die Forschungsergebnisse, die in der renommierten Fachzeitschrift PNAS erscheinen, bringen die effiziente Nutzung von Quanteneffekten einen Schritt weiter.

Als Quantenverschränkung wird ein Effekt bezeichnet, der es zwei oder mehreren Teilchen scheinbar erlaubt, einander ohne Zeitverzögerung über beliebige räumliche Distanzen hinweg zu beeinflussen. Obwohl dieses Verhalten im Rahmen der Quantenphysik an sich weitgehend verstanden ist, widerspricht es unserer Intuition.

Verschränkungszustände können bei sehr praktischen Anwendungen nützlich sein. Beispielsweise werden in der Quantenkryptographie Quanteneffekte genutzt, um verschlüsselte Nachrichten gegen Lauschattacken zu schützen, indem ein ungewünschter Zugriff auf die übermittelten Informationen praktisch unmöglich ist. Bei quantenkryptographischen Experimenten werden Lichtteilchen (Photonen) verwendet, um Informationen zu übertragen. Photonen können auf verschiedene Arten Verschränkungszustände miteinander teilen – je komplexer diese jedoch sind, umso nützlicher sind sie. Eine Möglichkeit, komplexe Verschränkungszustände zu erzeugen, ist, eine große Zahl von Photonen miteinander wechselwirken zu lassen. Sobald aber mehr als zwei oder drei Photonen im Spiel sind, wird es enorm schwierig. Die Quantentechnologie steht hier vor einer wirklich großen Herausforderung.

Die Wiener Physiker, allen voran Mario Krenn, Doktorand in Zeilingers Gruppe an der Universität Wien und Erstautor der Arbeit, sowie Anton Zeilinger, haben nun in Zusammenarbeit mit einem Forscher aus Barcelona eine alternative Methode gefunden, Verschränkungszustände hoher Komplexität zu erzeugen. Dazu nutzten sie räumliche Strukturen, die Photonen besitzen können, und setzten einen speziellen Kristall ein, in welchem Photonenpaare mit verschränkten räumlichen "Mustern" entstehen. Insgesamt haben die Forscher mehr als 200.000 verschiedene Messungen an über 750 Millionen Photonenpaaren vorgenommen. Um die enthaltene Verschränkung zu analysieren, mussten darüber hinaus neue mathematische Hilfsmittel entwickelt werden.

Das Resultat all dieser Bemühungen: Der Nachweis, dass Verschränkungszustände erzeugt wurden, für die normalerweise anstelle von zwei Photonen 13 benötigt werden. "Die analysierten Photonen waren mindestens 100-dimensional verschränkt", sagt Mario Krenn, Physiker an der Universität Wien und Erstautor der Arbeit. "Dass wir erstmalig einen solchen Grad an Komplexität mit zwei Photonen erreicht haben, ist ein wesentlicher Fortschritt, nicht zuletzt hinsichtlich praktischer Anwendungen", ergänzt Anton Zeilinger, Professor für Quantenphysik an der Universität Wien.

Ziel ist es, die kontrollierte Erzeugung von solch komplexen Zuständen für technologische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Methode der Wiener Forscher wird dazu beitragen, grundlegende Aspekte der Quantenmechanik tiefer zu erkunden. Nachwuchswissenschafter Mario Krenn erklärt: "Eine offene Frage ist, ob die Menge an Information, welche räumlich getrennte Teilchen durch Verschränkung teilen können, fundamental beschränkt ist. Die Zustände, die wir nun erzeugen können, werden es ermöglichen, Experimente zur Beantwortung dieser Frage durchzuführen. Das war bislang nicht möglich."

Das Projekt wurde gefördert durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie dem österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF).

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