Erstmals Quantenverschränkung in 100 Dimensionen

Workgroup Zeilinger Group


25. Mar 2014  — Eines der wesentlichen Phänomene der Quantenphysik ist die Existenz von sogenannten Verschränkungszuständen, wobei Teilchen in einer scheinbar paradoxen Art und Weise miteinander verbunden sind. Verschränkungszustände bilden die Grundlage für eine Reihe von neuartigen technologischen 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 aktuell in der renommierten Fachzeitschrift PNAS erscheinen, bringen die effiziente Nutzung von Quanteneffekten in technologischen Anwendungen wieder 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). 

Publikation in "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS):
Generation and Confirmation of a (100x100)-dimensional entangled Quantum System. Mario Krenn, Marcus Huber, Robert Fickler, Radek Lapkiewicz, Sven Ramelow, Anton Zeilinger. PNAS.
DOI: 10.1073/pnas.1402365111 (wird im Laufe der Woche online gestellt).

Forschungsgruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Fakultät für Physik der Universität Wien und Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften:
http://www.quantum.at/ 


Wissenschaftlicher Kontakt
Dipl.-Ing. Mario Krenn
Quantenoptik, Quantennanophysik
und Quanteninformation
Universität Wien
Institut für Quantenoptik und
Quanteninformation (ÖAW)
1090 Wien, Boltzmanngasse 3
T +43-1-4277-295 68
mario.krenn(at)univie.ac.at

Rückfragehinweis
Sekretariat  Prof. Zeilinger
Quantenoptik, Quantennanophysik
und Quanteninformation
Universität Wien
Institut für Quantenoptik und
Quanteninformation (ÖAW)
1090 Wien, Boltzmanngasse 3
T +43-1-4277-511 66
georgina.whittle(at)univie.ac.at