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News: (Fast) geklontes Photon

Die Unschärfe, die den Gesetzen der Quantenmechanik innewohnt, beschränkt die Möglichkeiten, einen Quantenzustand exakt zu kopieren. Während Wissenschaftler in der Vergangenheit die Grenzen des Machbaren theoretisch ausloteten, gelang es ihnen nun, ein reales Experiment durchzuführen, mit dem sich diese Grenzen bestätigen ließen: So klonten sie zum ersten Mal ein Photon - fast jedenfalls.
Das Alphabet eines Computers kennt nur Nullen und Einsen, die Bits. Und doch lassen sich mit ihnen alle Informationen codieren und verarbeiten. Derart binäre Daten kann man nämlich leicht kopieren und vervielfältigen, ohne dass die Information dabei verloren geht oder verfälscht wird.

Etwas anders verhält es sich mit den kleinsten Speichereinheiten eines Quantencomputers, den Qubits: Zwar werden auch hier zwei Zustände eines quantenmechanischen Systems zur Speicherung von Daten genutzt, allerdings sind auch Mischzustände, so genannte Superpositionen erlaubt. Und genau hieraus könnten die Wunderrechner einmal ihre theoretisch unvergleichliche Rechenkraft schöpfen – wenn es denn jemals gelingt, genügend Qubits zu einem Rechner zu bündeln.

Wenngleich ein solches Quantensystem einen enormen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber herkömmlicher Elektronik bietet, so besitzt es doch auch einen gravierenden Nachteil: Da sich der quantenmechanische Zustand eines Systems aufgrund der Unschärferelation nicht mit absoluter Exaktheit bestimmten lässt, kann auch niemals eine hundertprozentige Kopie eines Qubits erzeugt werden. Wenn es denn nun schon nicht genau geht, dann doch wenigstens so gut wie möglich. Doch wo liegen die Grenzen des Machbaren?

Theoretiker beschäftigten sich schon lange mit dem Problem und fanden heraus, dass der Klon eines bestimmten Quantenzustands eines Photons maximal zu fünf Sechsteln mit seinem Original übereinstimmen kann. Was theoretisch zu schaffen ist, muss doch auch experimentell zu erreichen sein, dachten sich wohl Antía Lamas-Linares von University of Oxford und ihre Kollegen und versuchten sich an einer möglichst guten Kopie des Polarisationszustands eines Photons.

Denn die Richtung, in der das elektrische Feld von Licht schwingt – die Polarisation – lässt sich ebenso gut als Qubit verwenden wie beispielsweise der Spin eines Elektrons. Neben der horizontalen und vertikalen Polarisation bieten sich nämlich unendlich viele Einstellmöglichkeiten durch Superposition.

Für ihr Experiment erzeugten Lamas-Linares und ihr Team durch so genannte parametrische Fluoreszenz zunächst ein Photonenpaar, dessen Polarisationszustände auf magisch anmutende Art aneinander gekoppelt waren: ein verschränktes Photonenpaar. Zwar sind auch hier die Zustände der beiden Lichtquanten unscharf und unbestimmt. Misst man jedoch die Polarisation eines der beiden Photonen und legt damit seinen Zustand fest, so bestimmt das sofort auch die Polarisation des Partnerteilchen: Denn die Schwingungsebenen der beiden Teilchen liegen immer senkrecht zueinander. Das Ganze funktioniert selbst dann, wenn sich die beiden Photonen an unterschiedlichen Enden des Universums befinden.

Das eine dieser beiden Photonen schickten die Forscher durch ein optisch aktives Medium – einen Kristall, der sich durch die Lichtquanten zur Emission weiterer Photonen anregen lässt. Bei einer derartig stimulierten Emission ist nun die Wahrscheinlichkeit, dass emittiertes und anregendes Photon die gleiche Polarisation besitzen, vergleichsweise hoch. Im Gegensatz zu Photonen die spontan ausgesandt werden, denn hierbei ist keine Polarisationsrichtung bevorzugt.

Da es sich bei dem anregenden Photon um einen Partner des verschränkten Paares handelte, konnten die Physiker nun indirekt mit dem anderen Partner überprüfen, wie stark das emittierte Photon dem anregenden ähnelte. Nach Ansicht der Forscher ließ sich so fast die maximal mögliche Übereinstimmung von 83 Prozent erreichen. Zwar gelang es zuvor schon einer anderen Forschergruppe in Oxford, ein großes zusammengesetztes Quantensystem zu klonen und Wissenschaftler der University of Science and Technology of China in Hefei konnten gar die Bewegung und Polarisation eines Photons auf zwei weitere aufprägen, Lamas-Linares und ihre Kollegen kamen jedoch dem theoretischen Maximalwert bislang am nächsten.

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