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Quantenphysik: Verschränkung auf dem Weg ins Wohnzimmer

Quantenmechanik ist exotisch bis abstrus und findet meist tief in den Labors der Physiker statt. Doch die Wissenschaft schickt sich an, ihre Fortschritte auf dem Markt und in die heimischen Stuben zu bringen.
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Klein, kleiner, am kleinsten – so lautet ein Credo der Informationstechnologie. Unmengen von Daten auf winzigstem Raum zu speichern, ist das Ziel. Nach dem heutigen Stand der Technik geht das am besten mit optischen Methoden, wie sie jeder vom CD- und DVD-Spieler zu Hause kennt. Bei diesen Geräten tastet ein Laserstrahl die Scheiben nach Vertiefungen ab, deren Muster die Informationen trägt. Weil DVD-Spieler dabei Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge benutzen, können die Daten auf den zugehörigen Medien viel enger gepackt werden. Doch sechs Gigabyte pro Scheibe sind den Ingenieuren zu wenig. Sie suchen nach Wegen, alles noch kompakter zu gestalten.

Fragt sich nur, wie das geschehen soll. Denn so langsam wird das Licht selbst zu groß für die gewünschten Minimaße. Immerhin verlangt die Natur, dass Licht zwei getrennte Punkte nur dann noch auflösen kann, wenn die Distanz zwischen diesen die jeweilige Wellenlänge nicht unterschreitet. Nur ist es in der Praxis äußerst schwierig, ständig neue Laser mit immer kürzeren Wellenlängen zu entwickeln. Einfacher wäre es, die Natur ein klein wenig auszutricksen. Und was wäre dafür geeigneter, als einer der berüchtigt-seltsamen Effekte aus der Quantenmechanik?

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Versuchsaufbau | Das Bild zeigt das Vier-Photonen-Interferometer, das im Experiment verwendet wurde. UV-Laserpulse passieren zweimal einen nichtlinearen Typ-II-Kristall (Mitte des Bildes). Die polarisiert-verschränkten Photonen können sich vorwärts oder rückwärts ausbreiten (Falschfarben). Wenn nun vier Photonen emittiert werden, finden sie sich mit derselben Wahrscheinlichkeit in den beiden möglichen Richtungen wieder. Die beiden verschiedenen Modi werden dann in polarisierenden Strahlungsteilern überlagert, was die Beobachtung des Vier-Photonen-Systems ermöglicht.
In diesem Fall ist es das Phänomen der Verschränkung, das helfen könnte. Es beschreibt den Vorgang, wenn zwei eigenständige Quantenteilchen – wie beispielsweise Photonen – unter bestimmten Umständen sich so eng miteinander koppeln, dass sie sozusagen zu einem neuen Teilchen "verschmolzen" sind. Mag dies früher ein rein theoretisches Konzept gewesen sein, so gehören derartige Experimente mittlerweile in vielen Labors zur Routine. Technisch interessant wird die Verschränkung vor allem deshalb, weil die beiden Ursprungsphotonen ihre Energie zusammenwerfen und das verschränkte Teilchen doppelt so viel Energie besitzt und damit nur die halbe Wellenlänge hat. Warum also nicht einfach drei, vier oder noch mehr Photonen miteinander verschränken und auf diese Weise beliebig kurzwellige Photonen erzeugen?

Das Problem steckt in dem Wörtchen "einfach", denn so leicht ist der Gedanke nicht in die Tat umzusetzen. Dennoch vermelden nun gleich zwei Arbeitsgruppen, dass ihnen dieser bedeutende Schritt gelungen ist. Morgan Mitchell und seine Kollegen von der Universität Toronto verschränkten zunächst zwei Photonen, die aus verschiedenen Quellen stammten und sich in ihrer Polarisationsebene unterschieden. Dann gaben sie noch ein drittes Photon mit einer weiteren Schwingungsebene hinzu. In über der Hälfte ihrer Versuche bildete sich innerhalb von Nanosekunden ein verschmolzenes Dreiergespann [1]. Die Arbeitsgruppe um Anton Zeilinger von der Universität Wien ging in ihren Experimenten noch ein Photon weiter. Die österreichischen Forscher bildeten erst zwei getrennte Doppelpaare, die sie schließlich zu einem verschränkten Vier-Photonen-System koppelten [2]. Beide Teams sind der Ansicht, dass sie mit ihrer Methode im Prinzip jede gewünschte Anzahl von Lichtquanten verschränken könnten.

Auch wenn bei den Versuchen noch kein Hyper-DVD-Player herausgekommen ist, haben die Wissenschaftler eindrucksvoll gezeigt, dass sich die Theorie im Labor bereits in die Praxis umsetzen lässt. Und das bei einem abstrusen Effekt der Quantenmechanik, dem noch vor wenigen Jahren niemand zugetraut hätte, es jemals in die "wirkliche" Welt unseres Alltags zu schaffen.
15.05.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15.05.2004

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