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Drei "verdrehte" Photonen in drei Dimensionen verschränkt

01.03.2016

Neue Quantenzustände ebnen Weg für komplexe Quantennetzwerke

Bislang war es nur möglich, verschränkte Vielteilchen-Quantenzustände in zwei Dimensionen zu erzeugen. Anton Zeilinger und einem Team von Physikern des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Wien und der Universität Autonoma de Barcelona ist es nun erstmals gelungen, drei Lichtteilchen in mehreren Dimensionen zu verschränken. Dieser neue hoch-dimensionale Drei-Teilchen-Quantenzustand zeigt, dass Quantenverschränkung noch vielfältiger sein kann als bisher angenommen. Die aktuelle Studie dazu erscheint im Fachmagazin Nature Photonics.


Künstlerische Darstellung der verdrehten Photonenverschränkung.

Copyright: Faculty of Physics, University of Vienna


Langzeitbelichtung eines Lasers mit verdrehter Wellenfront. Die Löcher im Strahl kommen von destruktiver Interferenz im Zentrum der Verdrehungen.

Copyright: Faculty of Physics, University of Vienna

Verschränkung ist eine nicht-intuitive Eigenschaft in der Quantenmechanik, über die Physiker und Philosophen gleichermaßen nachdenken. Es scheint, als ob verschränkte Lichtquanten einander beeinflussen können, unabhängig von deren räumlicher Entfernung. Vergleichbar ist dies mit zwei Eistänzerinnen, die Pirouetten im und gegen den Uhrzeigersinn gleichzeitig drehen können. Die Besonderheit von zwei verschränkten Quanten-Eistänzerinnen ist, dass diese perfekt korrelierte Drehrichtungen besitzen. Wenn sich die eine Eistänzerin nach links dreht, dreht die andere ihre Pirouetten mit Sicherheit ebenfalls nach links, wobei sich diese auch auf einem anderen Kontinent befinden kann. "Die verschränkten Photonen in unserem Experiment kann man sich veranschaulichen durch drei verschränkte Quanten-Eistänzerinnen, die ein perfekt synchron choreographiertes Quanten-Ballett tanzen", erklärt Mehul Malik, Erstautor der Studie. "Ihre Choreographie beschränkt sich nicht nur auf die Pirouetten, sondern gilt auch für andere zusätzlich korrelierte Bewegungen. Physiker haben diese Art von asymmetrischer Verschränkung bereits theoretisch vorhergesagt, wir zeigen nun zum ersten Mal, wie man solche Arten von Verschränkung im Labor erzeugen kann."

Anwendung: Quantenkryptographie

Um den verschränkten Drei-Photonen-Zustand herzustellen, benutzten die Wissenschaftler ein anderes Phänomen genannt "Quantenradierer". Dabei werden zwei hochdimensional verschränkte Photonenpaare derart miteinander kombiniert, dass es im Prinzip unmöglich ist, den Ursprung der einzelnen Photonen zu bestimmen. Mit diesem hochdimensional verschränkten Viel-Photon-Zustand können grundlegende quantenmechanische Konzepte erforscht werden. Durchaus denkbar ist auch die Anwendung solcher Zustände in Quantencomputern oder in quantenkryptographischen Kommunikationsprotokollen. In diesem Sinne haben die Autoren ein neues Protokoll zur Kommunikation entwickelt, das mehrere Schichten an asymmetrisch verteilter Quanteninformation zwischen den Teilnehmern benützt, um absolute kryptographische Sicherheit zu gewährleisten. "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", sagt Anton Zeilinger. Neu bei dieser Methode ist, dass mehrere Teilnehmer Informationen auf verschiedenen Ebenen miteinander abhörsicher teilen können.

Bis solche asymmetrischen Quantenkommunikationsprotokolle Wirklichkeit werden, gibt es noch einige technische Hürden zu überwinden. Angesichts des raschen technologischen Fortschritts hoffen die Forscher aber, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis diese komplexen Verschränkungszustände in zukünftigen Quantennetzwerken verwendet werden können.

Publikation in "Nature Photonics"
Multi-Photon Entanglement in High Dimensions: Mehul Malik, Manuel Erhard, Marcus Huber, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger. Nature Photonics, 2016
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.12
http://arxiv.org/abs/1509.02561

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Mehul Malik
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation
Universität Wien sowie
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (ÖAW)
1090 Wien, Boltzmanngasse 3
M +43-660-2851759
mehul.malik@univie.ac.at

Rückfragehinweise
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 33
M +43-664-602 77-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

Dipl.-Soz. Sven Hartwig
Leitung Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
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sven.hartwig@oeaw.ac.at

Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 15 Fakultäten und vier Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.800 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit auch die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. 1365 gegründet, feierte die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum. http://www.univie.ac.at

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