Verschränkung leicht gemacht

News: Verschränkung leicht gemacht

Die potenziellen Möglichkeiten für besonders verbündete Photonen scheinen gewaltig zu sein, jedoch ist es zur Zeit noch aufwändig und teuer, diese innige, quantenmechanische Beziehung zwischen den Teilchen einzuleiten. Nun konnten Physiker einen wichtigen Teil der Versuchsapparatur - einen speziellen Laser - durch einen günstigeren Diodenlaser ersetzen.

Thorsten Krome

Liest man über Quantencomputer, Quantenteleportation oder Quantenkryptographie, so fällt meist auch der Begriff der Verschränktheit. In der Physik versteht man darunter eine besondere Beziehung von zwei oder mehreren Teilchen, die als Einheit aufzufassen sind, auch wenn sie Milliarden Kilometer voneinander entfernt sind. Ein Paar Photonen kann beispielsweise einen derartigen Zustand einnehmen. Misst man dann die Polarisation eines der beiden verschränkten Teilchen, so legt das automatisch die Polarisation des anderen fest – selbst, wenn sich dieses am anderen Ende des Universums befindet.

Dabei ist der Prozess, mit dem sich derartige Photonenpaare erzeugen lassen, noch nicht einmal sonderlich kompliziert: Ein Laserstrahl trifft auf einen nichtlinearen Kristall, worauf dieser zwei verschränkte Photonen in entgegengesetzte Richtung emittiert. Allerdings liegen die Photonen, die der Kristall aussendet, in einem anderen Wellenlängenbereich. Deshalb verwendet man bevorzugt ultraviolettes Laserlicht, damit der Kristall sichtbare Photonen freisetzt, die sich mit Einzel-Photonen-Detektoren nachweisen lassen. Meist nutzen Forscher dafür Avalanche-Photodioden (APD), die in einem Bereich von 600 bis 900 Nanometern empfindlich sind.

Das Problem ist der UV-Laser. Diesen gibt es nämlich noch nicht in der erforderlichen Leistung als Festkörperlaser, weshalb man auf so genannte Large-frame-Ionen-Laser zurückgreift, die nicht nur groß sind, sondern noch dazu teuer. Jürgen Volz und seine Kollegen von der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzen hingegen eine deutlich handlichere und kostengünstigere Methode, verschränkte Photonen zu erzeugen.

Die Forscher verwenden eine Laserdiode, die Licht von 856 Nanometern Wellenlänge emittiert. Indem der Strahl durch einen Frequenzverdoppler geleitet wird, erhält man die erforderliche UV-Wellenlänge. Dabei ist ein solches optisches Bauelement nichts anderes als ein weiterer nichtlinearer Kristall. Die Feldstärke des eingestrahlten Lichts lenkt die Elektronen des Kristalls aus. In erster Näherung geschieht das linear, das heißt, die Auslenkung ist proportional zur Feldstärke. Bei hoher Intensität kommt es aber auch zu Anregungen höherer – nichtlinearer – Ordnung, wodurch Oberschwingungen angeregt werden, die zur Frequenzverdopplung führen.

Der restliche Versuchsaufbau ist nun wie gehabt: Das UV-Licht trifft auf einen zweiten nichtlinearen Kristall aus Beta-Bariumborat und löst dort zwei verschränkte Photonen aus, die je von einer optischen Faser aufgenommen und zu einer Avalanche-Photodiode geleitet werden. Mit dieser Apparatur gelang es den Wissenschaftlern, Photonenpaare herzustellen, die zu 95 Prozent verschränkt waren. Dabei entsprach die Zählrate mit rund 10 000 Ereignissen ungefähr dem, was sich auch in bisherigen Experimenten mit den Ionen-Lasern erreichen ließ. Es steht also nun ein vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Versuchsaufbau zur Erzeugung verschränkter Photonen zur Verfügung. Wer weiß, vielleicht lässt dann auch der Quantencomputer nicht mehr lange auf sich warten?