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Photonen im Paartanz

21.02.2013
Photonen, die in ihrer Eigenschaften absolut identisch sind, sind ein Schlüssel für Quantennetzwerke und Quantencomputer.

Einem internationalen Wissenschaftler-Team ist jetzt die Produktion solcher Photonen auf Knopfdruck gelungen. Physiker der Uni Würzburg haben den zentralen Baustein geliefert.


Durch resonante Anregung senden Halbleiterquantenpunkte auf Knopfdruck ununterscheidbare Photonen aus.
Grafik: Lehrstuhl für Technische Physik

Für die Messung und Manipulation einzelner Quantensysteme haben Serge Haroche und David Wineland im vergangenen Jahr den Nobelpreis für Physik erhalten: Die beiden Physiker haben bahnbrechende experimentelle Verfahren in der Quantenphysik entwickelt, mit denen sich unter anderem Ionen von der Umgebung isolieren und gezielt manipulieren oder die Wechselwirkung von einzelnen Atomen mit Photonen in Resonatoren untersuchen lassen.

Mit ihren „raffinierten Labormethoden“ sei es den Preisträgern und ihren Forschungsgruppen gelungen, Quantenzustände zu messen und zu kontrollieren, von denen man vorher angenommen habe, sie könnten niemals direkt beobachtet werden, hieß es in der Mitteilung der königlich-schwedischen Akademie der Wissenschaften. Ihre Arbeiten seien ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zu Quantencomputern, die schwierige Probleme extrem schnell lösen können.

Technik für Quantennetzwerke und Quantencomputer

Quantennetzwerke und Quantencomputer könnten auch das Ergebnis der Arbeiten Würzburger Physiker sein. Im Unterschied zu den beiden Nobelpreisträgern setzen Dr. Sven Höfling, Dr. Christian Schneider und Professor Martin Kamp am Lehrstuhl für Technische Physik allerdings auf Photonen und Halbleiterstrukturen. Damit seien sie sehr viel näher an einer technischen Umsetzung als ihre preisgekrönten Kollegen, die mit Atomen und Ionen arbeiten, so Höfling.

Quantennetzwerke, in denen Lichtteilchen Informationen transportieren, benötigen dafür ganz spezielle Photonen: Diese müssen in sämtlichen ihrer physikalischen Eigenschaften absolut identisch sein. So lassen sich Quantenspeicher über weite Entfernungen miteinander verschränken und somit für die Datenverarbeitung und den Datentransfer nutzen.

Publikation in Nature Nanotechnology

Solche Photonen quasi auf Knopfdruck, in großer Zahl und in der gewünschten Qualität herzustellen, ist jetzt einem international zusammengesetzten Team von Wissenschaftlern gelungen. Während die optischen Experimente im chinesischen Hefei stattfanden, haben Sven Höfling und seine Mitarbeiter bei der Planung mitgewirkt, die notwendigen Quantensysteme maßgeschneidert und realisiert, und im Anschluss die Daten analysiert. Die Fachzeitschrift Nature Nanotechnology hat die Ergebnisse jetzt online veröffentlicht.

„Uns ist es gelungen, Photonen zu produzieren, die bis zu einem Grad von 97 Prozent ununterscheidbar waren“, beschreibt Höfling das Ergebnis dieser Experimente. Damit hätten sie eine Qualität erreicht, wie sie zuvor nur mit Atomen und Ionen zu erreichen gewesen war. Produziert wurden diese Photonen von sogenannten Quantenpunkten, die das Würzburger Forscherteam zuvor im Mikrostrukturlabor der Universität hergestellt hatte.

Der perfekte Quantenpunkt

Quantenpunkte sind künstliche Atome in Festkörpergestalt, die aus einigen 10.000 Atomen zusammengesetzt werden. Quasi auf Knopfdruck, auf einen optischen Impuls mit einem Laser hin, liefern sie deterministisch angeregt einzelne Photonen. Sie werden mit Mitteln der Halbleiter-Technik hergestellt, auf der auch die Technik heutiger Rechner basiert. Die Schwierigkeit dabei: „In einem Festkörper sind die einzelnen Quantensysteme starken Wechselwirkungen ausgesetzt, die als Störungen wirken“, sagt Sven Höfling. „Und solche Störungen, die wir durch das optische Anregungsschema minimiert haben, sind dafür verantwortlich, dass die ausgestrahlten Photonen eben nicht absolut identisch sind“, so der Physiker weiter.

„Möglichst perfekt“ muss der Quantenpunkt sein. Der Lehrstuhl für Technische Physik ist weltweit führend in der Herstellung solcher Quantenpunkte. Die Entwicklung von Proben in der erforderlichen Qualität wird am Lehrstuhl für Technische Physik schon seit vielen Jahren vorangetrieben.

Universelle Rechenoperation und verschränkte Photonenpaare

Mit Laser-Pulsen einer exakt definierten Länge haben Physiker in den chinesischen Labors den Quantenpunkt aus Würzburg deterministisch in einen angeregten Zustand versetzt und somit die Emission von Photonen in Gang gesetzt. Jeweils zwei von ihnen wurden anschließend an einem Strahlteiler überlagert. Mit Hilfe weiterer optischer Komponenten wurde anschließend das sogenannte „kontrollierte NOT-Gatter“ als universelles Quantengatter realisiert. „Damit lassen sich optische Quantencomputer aufbauen und verschränkte Zustände erzeugen“, sagt Höfling.

Von Verschränkung ist in der Physik immer dann die Rede, wenn zwei einzelne Quantenobjekte auf bestimmte Weise miteinander verbunden sind. In dem Moment, wo durch Messungen der Zustand des einen Objekts bestimmt wird, liegt automatisch auch der Zustand des anderen Objekts fest – selbst wenn die beiden Objekte räumlich weit voneinander getrennt sind und in keinerlei messbaren Verbindung stehen. Albert Einstein hat dieses Phänomen, das ihm aus theoretischen Überlegungen bekannt war, als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet. In der Technik können verschränkte Quantenobjekte beispielsweise in der Kryptographie zur abhörsicheren Übermittlung von Informationen eingesetzt werden.

Verhalten identischer Photonen am Strahlteiler

Ob die von ihnen erzeugten Photonen tatsächlich ununterscheidbar sind, haben die Wissenschaftler mit folgendem Experiment untersucht: Es basiert auf dem Prinzip, dass Photonen, die auf einen Strahlteiler treffen, in der Hälfte der Fälle zur Seite weg reflektiert werden, während die andere Hälfte den Teiler auf geradem Weg durchwandert.

Treffen nun zwei Photonen gleichzeitig auf Strahlteiler, existieren prinzipiell vier Reaktionsmöglichkeiten: Beide werden reflektiert, beide wandern unverändert hindurch, jeweils eines wird abgelenkt, das andere aber nicht. Dies gilt für konventionelle Photonen. Sind die zwei Photonen aber ununterscheidbar, so beobachtet man nur zwei Reaktionsmöglichkeiten: Entweder werden beide reflektiert oder es wandern beide ohne Ablenkung durch den Strahlteiler hindurch. Wegen der Ununterscheidbarkeit der Photonen werden die anderen beiden Reaktionsmöglichkeiten durch Quanteninterferenzeffekte ausgelöscht.

Die nächsten Schritte

Für Sven Höfling bedeutet der Erfolg dieses Experiments einen wichtigen Schritt hin zu Quantennetzwerken und Quantencomputern – vor allem im Zusammenhang mit einem Forschungsergebnis eines Forscherteams mit Würzburger Beteiligung aus dem vergangenen Jahr. Damals ist es den Physikern gelungen, den intrinsischen Drehimpuls von Elektronen, den so genannten Spin, mit Photonen zu verschränken. Die Messung des Spinzustandes des Elektrons gibt somit sofort Auskunft über den Polarisationszustandes des Photons, da die beiden quantenmechanisch miteinander verknüpft sind. Umgekehrt kann bei bekanntem Polarisationszustand des Photons unmittelbar auf den Spinzustand des Elektrons geschlossen werden.

Die Kombination beider Forschungsergebnisse biete nun die Chance, Quantennetzwerke aufzubauen, die die Kommunikationstechnologie und den Bau von Computern revolutionieren könnte.

“On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability”, Yu-Ming He, Yu He, Yu-Jia Wei, Dian Wu, Mete Atatüre, Christian Schneider, Sven Höfling, Martin Kamp, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan. Nature Nanotechnology, online vorab veröffentlicht am 3. Februar 2013, DOI: 10.1038/NNANO.2012.262

Kontakt

Dr. Sven Höfling, T: (0931) 31-83613, sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

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