Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Photonentrio verschränkt

11.04.2017

Interferenz entsteht, wenn sich Wellen überlagern und dabei entweder verstärken oder abschwächen. Physiker aus Österreich und Kanada konnten nun im Labor eine echte Dreiphotoneninterferenz realisieren. In diesem Zustand sind drei Lichtteilchen miteinander verschränkt, ohne dass sie aber paarweise interferieren. Anwendung finden könnte dieses Verhalten zum Beispiel in der Quantenkryptographie.

In der Kryptographie werden „gemeinsame Geheimnisse“ (shared secrets) zum Beispiel dazu verwendet, um die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Personen zu schützen. Zugang zur Information haben die Teilnehmer nur gemeinsam, in dem jeder Beteiligte seinen Schlüssel zur Verfügung stellt.


Das in Innsbruck gebaute Interferometer, ein Instrument zur Messung von sich überlagernden Lichtwellen.

Uni Innsbruck

Vergleichbar ist dies mit einem Tresor, der nur geöffnet werden kann, wenn das Schloss mit mehreren Schlüsseln gemeinsam betätigt wird. Einen vergleichbaren Quantenschlüssel haben nun Forscher um Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gemeinsam mit einem Team um den Österreicher Thomas Jennewein an der University of Waterloo in Kanada erzeugt.

Österreichisch-kanadische Kooperation

Um das Experiment zu realisieren, brachten die Innsbrucker Forscher ein von ihnen gebautes Interferometer - ein Instrument zur Messung von sich überlagernden Lichtwellen - nach Kanada. Dort hat das Team um Thomas Jennewein eine Photonenquelle realisiert, die drei Lichtteilchen gleichzeitig aussendet. Es teilt ein blaues Photon in drei langwelligere auf. Für die Messung solcher infraroten Lichtteilchen benötigten die Forscher sehr empfindliche Detektoren.

„Früher war es sehr schwierig, langwellige Photonen zu messen“, erzählt Experimentalphysiker Gregor Weihs. „Seit kurzem gibt es aber sehr effiziente Detektoren basierend auf supraleitenden Drähten, ohne die unser Experiment gar nicht möglich gewesen wäre.“ Das Streben nach Erkenntnisgewinn gab hier den Anstoß für eine technologische Entwicklung, die auch für die Anwendung interessant ist. „Solche empfindlichen Detektoren sind etwa für die Quantenkryptographie über lange Strecken unentbehrlich“, sagt Weihs.

Dreiteilchenverschränkung

Mit der Photonenquelle in Kanada und dem Interferometer aus Tirol war es den Wissenschaftlern möglich, eine echte Dreiphotoneninterferenz zu realisieren. „Das Spannende daran ist, dass die drei Photonen nur gemeinsam interferieren, nicht aber einzeln oder paarweise“, erläutert Thomas Kauten, der das von ihm in Innsbruck konzipierte Interferometer nach Kanada begleitet hat und dort an den Messungen beteiligt war.

Diese erfolgreiche Verschränkung von drei Lichtteilchen öffnet den Blick auf futuristische Anwendungen. So könnten die Photonendrillinge Träger eines „shared secret“ für die Quantenkryptographie sein. „Das Verfahren könnte aber auch dazu genutzt werden, ganz grundlegende Annahmen der Quantenmechanik zu überprüfen“, sagt Gregor Weihs.

Neue Photonenquelle entwickelt

Die Innsbrucker Physiker haben inzwischen eine neue Photonenquelle gebaut - ebenfalls gemeinsam mit kanadischen Wissenschaftlern, dieses Mal am National Research Council Canada in Ottawa. Die neue Quelle besteht aus einem Nanodraht, in den zwei, nahe beieinanderliegende Quantenpunkte eingebaut sind. „Einzelne Quantenpunkte funktionieren wie künstliche Atome. Was wir hier gebaut haben, ist eigentlich ein künstliches Molekül“, zeigt sich Gregor Weihs begeistert.

„Mit diesem ist es möglich, beinahe gleichzeitig drei Photonen unterschiedlicher Farbe zu erzeugen.“Da dieses Verfahren deutlich effizienter ist, wollen die Wissenschaftler um Gregor Weihs nun weitere Verschränkungsexperimente mit der neuen Photonenquelle unternehmen.

Finanziell unterstützt wurden die Arbeiten unter anderem vom Wissenschaftsfonds FWF, vom Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) und vom Europäischen Forschungsrat ERC.

Publikationen: Observation of Genuine Three-Photon Interference. Sascha Agne, Thomas Kauten, Jeongwan Jin, Evan Meyer-Scott, Jeff Z. Salvail, Deny R. Hamel, Kevin J. Resch, Gregor Weihs, and Thomas Jennewein. Phys. Rev. Lett. 118, 153602 (2017)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.153602

Rückfragehinweis:
Univ.-Prof. Dr. Gregor Weihs
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 52550
E-Mail: gregor.weihs@uibk.ac.at
Web: http://www.uibk.ac.at/exphys/photonik

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 8725 32022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.153602 - Observation of Genuine Three-Photon Interference. Sascha Agne, et.al. Phys. Rev. Lett. 118, 153602 (2017)
https://physics.aps.org/articles/v10/38 - Physics Viewpoint: Photonic Hat Trick
http://www.uibk.ac.at/exphys/photonik/ - Photonics Group, Universität Innsbruck
http://uwaterloo.ca/institute-for-quantum-computing/ - Institute for Quantum Computing, University of Waterloo

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie