Experimente im Zustand der Verschränkung verdeutlichen Quantenpotenzial
„Hauptziel des OAMGHZ-Projekts war, unter Ausnutzung des Bahndrehimpulses (Orbital Angular Momentum, OAM) von Licht einen hochdimensionalen verschränkten Drei-Photonen-Zustand zu schaffen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Mehul Malik von der Universität Wien, Österreich, Empfänger eines EU-finanzierten Marie Skłodowska-Curie-Stipendiums für Forschende aus Drittländern (International Incoming Fellowship). Im Rahmen des OAMGHZ-Projekts verwendete man eine experimentelle Anordnung mit der Bezeichnung „Quantenradierer“, die es zwei unabhängigen Paaren verdrehter Teilchen ohne gemeinsame Vergangenheit gestattet, miteinander verschränkt zu werden. Bei dieser Art von Experimenten hat man sich bisher eher auf eine zweidimensionale oder Qubit-Verschränkung konzentriert. Im Gegensatz dazu wollte das OAMGHZ-Projekt ein Verfahren zur Erzeugung von hochdimensionalen Vielteilchenzuständen erfinden, die im Bahndrehimpuls verschränkt sind. Das Projekt nahm seinen Anfang mit dem Entwurf einer Multiple-Input-Multiple-Output-Vorrichtung für OAM, die Photonen trennt und neu kombiniert. Diese Vorrichtung erwies sich als zu komplex für die Umsetzung in der Größenordnung eines Vielphotonenexperiments, so dass eine alternative Vorrichtung ähnlich eines polarisierenden Strahlenteilers entwickelt wurde, die zum Sortieren und Mischen des OAM einfallender Photonen geeignet war. „Wir haben als erste Gruppe weltweit einen verschränkten Zustand von mehr als zwei Teilchen mit mehr als zwei verschränkten Dimensionen realisiert“, sagt Malik. „Und wir haben außerdem einen Algorithmus mit der Bezeichnung MELVIN entwickelt, der Quantenexperimente erzeugte, um fünfzig weitere einzigartige hochdimensionale verschränkte Vielphotonenzustände zu schaffen.“ Praktische Auswirkungen Im Bahndrehimpuls verschränkte hochdimensionale Vielphotonenzustände sind deshalb für die Forscher von Interesse, da Lichtwellen dazu verwendet werden könnten, große Informationsmengen mit einem höheren als dem heute möglichen Grad an Sicherheit zu übertragen. Des Weiteren verschaffen derartige verschränkte Zustände den Forschenden die Gelegenheit, grundlegende Tests der Quantentheorie durchzuführen, die praktische Auswirkungen haben könnten. So wäre beispielsweise ein zukünftiges Quanteninternet der Ort, an dem Zustände dieser Art sehr nützliche Anwendung als Träger von Informationen finden könnten. Dieser Forschung wohnt das Potenzial inne, dem im Entstehen begriffenen Quantenkommunikationssektor von Nutzen zu sein. Überdies profitieren auch andere Wissenschaftler, die auf den Gebieten der Quantenoptik, Quantenverschränkung und Quantenkommunikation arbeiten. Zudem wurde ein geschichtetes Quantenkryptografiesystem entwickelt, in dem drei Parteien auf asymmetrische und sichere Weise gemeinsam Informationen nutzen. „Asymmetrische verschränkte Zustände wie der eine, den wir erzeugt haben, bilden eine neue Richtung für experimentellen Untersuchungen der Verschränkung und werden in der Zukunft die Entwicklung komplexer, mehrstufiger Quantennetzwerke ermöglichen“, betont Malik. Nach Abschluss des OAMGHZ-Projekts im Juni 2015 konnten Malik und sein Team auf Grundlage der durch ihren MELVIN-Algorithmus erzeugten Experimente an der Erschaffung noch komplexerer, hochdimensionaler verschränkter Zustände arbeiten. Er fügt hinzu: „Wir werden auch weiterhin die Möglichkeiten des Algorithmus erweitern, um ihn auf andere anspruchsvolle quantenmechanische Probleme anzuwenden.“
Schlüsselbegriffe
OMAGHZ, Experimente im verschränkten Zustand, OAM, Bahndrehimpuls, Orbital Angular Momentum, MELVIN
