Rauschfilter für Photonen

News: Rauschfilter für Photonen

Unter bestimmten Umständen können zwei Teilchen, wie Photonen oder Atome, eine besonders innige Beziehung miteinander eingehen: Die Paare spüren sich quasi gegenseitig, auch wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind. Wissenschaftler hoffen, dass sie diese Eigenschaft einmal zum Bau eines Quantencomputers oder für besonders sichere Verschlüsselung von Daten nutzen können. Noch ist das bizarre Teilchengebilde aber sehr, sehr empfindlich, was Störungen durch die Umwelt angeht. Nun gelang es Physikern immerhin, aus einer Schar von Photonen die richtige Auswahl zu treffen und unbrauchbare schlicht herauszufiltern.

Thorsten Krome

Die Verschränktheit von Teilchen gehört sicherlich zu den seltsamsten Eigenarten der Quantenmechanik. So sind beispielsweise zwei verschränkte Photonen derart miteinander verbunden, dass sie selbst über größte Entfernungen noch merken, wenn mit ihrem Partner etwas geschieht – was im Mikrokosmos der Quantenwelt schon durch eine einfache Messung der Fall sein kann. Man spricht deshalb auch von dem Phänomen der Nichtlokalität. Seit einigen Jahren untersuchen Forscher in aller Welt diese bizarren Systeme, versprechen sie doch, vielleicht einmal einen Quantencomputer Wirklichkeit werden zu lassen.

Bislang stößt man jedoch noch auf so manches Hindernis bei derlei Vorhaben. So sind zwar mit verschränkten Teilchen schier unglaubliche Entfernungen überwindbar, aber das Paar ist auch äußerst anfällig für jegliche Art von Störung. "Verschränkte Zustände neigen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit der Umwelt nicht dazu, rein zu bleiben", erklärt Paul Kwiat von der University of Illinois in Urbana-Champaign. "Genau wie die Verbindung zwischen zwei Mobiltelefonen durch Störgeräusche beeinträchtigt wird, die herausgefiltert werden müssen, so haben wir eine Technik entwickelt, die 'Störgeräusche' aus verschränkten Zuständen filtert."

So einfach wie das Kwiat erklärt, so verblüffend unkompliziert ist auch das Kernstück des Versuchsaufbaus: Die Forscher stellten in jeden der beiden Wege, die das verschränkte Photonenpaar nehmen musste, je zwei Glas-Substrate. Diese vier Plättchen standen dabei leicht zu den Lichtstrahlen verkippt, sodass aufgrund des Brewsterschen Gesetzes das durchgelassene Licht polarisiert und gleichzeitig auch von nicht verschränkten Photonenpaaren 'gereinigt' wird. Die Wissenschaftler sprechen hier auch von Destillation.

Die Physiker entdeckten, dass schon ein Filter-Paar in einem Strahlengang ausreichte, um einen höheren Anteil an verschränkten Photonen zu erhalten. "Grundsätzlich haben wir das Verfahren so verwendet, dass unerwünschte Anteile herausfielen", erzählt Kwiat. "Was übrig blieb war ein makellos verschränkter Zustand. Auf diese Weise haben wir die Destillation maximal verschränkter Zustände aus weniger verschränkten gezeigt."

Die Forscher führten außerdem ein zweites Experiment durch, bei dem die Zustände vermischt waren. Hier konnten sie eine nichtlokale Beziehung der Photonen nachweisen, obwohl diese im Anfangssystem nicht existierte. So ein "verstecktes" nichtlokales Verhalten sagte die Theorie vorher, konnten Physiker aber bislang noch nicht beobachten.

"Bemerkenswert ist, dass unser Prozess des Filterns ein lokaler Prozess ist, der nur auf ein Photon des Paares wirkt, und dennoch bewahrt er die nichtlokale Natur quantenmechanischer verschränkter Systeme", fasst Kwiat die Resultate zusammen, "Das endgültige Signal ist zwar nicht mehr so stark – da ja weniger Photonen vorhanden sind – aber das Rauschen ist deutlich verringert."