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Photonik: Quantenexperimente aus dem Computer

Ein neuer Algorithmus entwickelt komplizierte quantenmechanische Versuchsanordnungen, auf die Forscher bislang nicht gekommen sind.
Laserforschung im LaborLaden...

Um Quantenphänomene besser zu verstehen und die Vorhersagen der Theorie zu überprüfen, sind Laborversuche unerlässlich. Die Gesetze auf der Größenordnung von Lichtteilchen und Atomen sind jedoch derart seltsam und unintuitiv, dass es schwierig ist, neue Experimente zu konzipieren. Ihre Designer müssen Effekte miteinander kombinieren, von denen jeder einzelne der Alltagserfahrung widerspricht. Irgendwann scheitert dabei zwangsläufig die menschliche Vorstellungskraft.

Das mussten wir, Quantenphysiker in der Gruppe von Anton Zeilinger an der Universität Wien, vor einiger Zeit selbst feststellen. Wir wollten eine komplexe, niemals zuvor erzeugte Art von Quantenverschränkung im Labor untersuchen. Normalerweise betrifft das Phänomen der Verschränkung zwei Teilchen, deren mögliche Zustände aneinandergekoppelt sind und die erst bei einer Messung auf einen davon festgelegt werden. Bei unserem Versuch wollten wir nun sogar drei Photonen mit­einander verschränken, die gemeinsam eine von drei Eigenschaften annehmen sollten. Anschaulich gesprochen sind dann alle drei Photonen entweder rot, grün oder blau, und die Messung des ersten Lichtteilchens würde sofort die Farbe der anderen zwei bestimmen. Im tatsächlichen Experiment benutzten wir allerdings nicht die Wellenlänge, sondern eine andere Eigenschaft der Photonen, ihren Drehimpuls.

Wir versuchten, uns einen passenden Aufbau auszudenken, der diesen Zustand erzeugt. Zu unserer Über­raschung war das gar nicht so einfach. Sämtliche Experimente, die wir anhand unserer früheren Erfahrungen ausprobiert hatten, funktionierten nicht. Nachdem wir mehrere Wochen lang ver­zweifelt immer ausgefallenere Ideen bemüht hatten, wurde uns klar: Ein grundsätzlich anderer Ansatz war nötig. Erfahrung und Intuition brachten uns offenbar nicht weiter. Sollten wir es stattdessen mit zufälligen Kombinationen probieren? Das ist jedoch etwas, was ein Computer auch kann – noch dazu viel schneller als ein Mensch. ...

August 2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft August 2016

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  • Quellen

Krenn, M. et al.: Automated Search for new Quantum Experiments. In: Physical Review Letters 116, 2016

Malik, M. et al.: Multi-Photon Entanglement in High Dimensions. In: Nature Photonics 10, S. 248 – 252, 2016

Schlederer, F. et al.: Cyclic Transformation of Orbital Angular Momentum Modes. In: New Journal of Physics 18, 2016