Schrauben aus Licht

  • 18. November 2016

Forscher stellen neue Rekorde mit verdrehten Licht­teilchen auf.

Immer wieder überraschen neue Eigenschaften von Licht die For­schungs­welt. So kann man Licht in eine korken­zieher­artige Form bringen, um „Schrauben aus Licht“ zu erzeugen, wie es Anton Zeilinger von der Uni Wien nennt. Das Erstaun­liche dabei ist, dass man jedem einzelnen Photon eine beliebige Anzahl an Windungen auf­prägen kann. Je größer die Anzahl an Windungen, desto größer die ist Quanten­zahl, mit der man das Photon beschreibt. Diese Eigen­schaft haben sich nun die Wissen­schaftler der Uni Wien und des Instituts für Quanten­optik und Quanten­infor­mation Wien zunutze gemacht und bis­herige Rekorde bezüg­lich der Über­tragungs­distanz sowie Größe der Quanten­zahl gebrochen.

Lichtschraube

Abb.: Eine Lichtschraube auf dem 143 Kilometer langen Weg zwischen La Palma und Tene­riffa. (Bild: U. Wien)

Lichtschrauben können im Prinzip beliebig viel Information pro Photon ent­halten. So wurden unter Labor­bedin­gungen bereits Daten­raten von bis zu hundert Tera­bit pro Sekunde erreicht. Die Über­tragung in realis­tischen Szena­rien steckt hin­gegen noch in den Kinder­schuhen. Neben der Über­tragung über kurze Distanzen in spezi­ellen Glas­fasern konnten über freie Weg­strecken – benötigt etwa zur Satel­liten­kommu­ni­kation – bisher nur drei Kilo­meter zurück­gelegt werden.

In der aktuellen Studie zeigen die Forscher um Zeilinger und Mario Krenn, dass in Licht­schrauben kodierte Infor­mation selbst nach über hundert Kilo­metern noch immer rekon­struiert werden kann. Das Experi­ment fand zwischen La Palma und dem 143 Kilo­meter ent­fernten Tene­riffa statt. „Die Nach­richt ‚Hello World!‘ wurde mit­hilfe eines optischen Holo­gramms auf einen grünen Laser aufge­prägt und auf der anderen Insel mit­hilfe eines neuronalen Netzes ent­schlüs­selt“, erklärt Krenn. Nach­dem damit gezeigt wurde, dass diese Licht­eigen­schaften im Prinzip über große Distanzen erhalten bleiben, müssen sie mit modernen Kommu­ni­kations­techno­logien verbunden werden – woran bereits mehrere Gruppen welt­weit arbeiten.

Im zweiten Experiment gingen die Forscher in Zusammen­arbeit mit einer Gruppe aus Austra­lien der Frage auf den Grund, wie stark sich einzelne Photonen schrauben­artig ver­drehen lassen, ohne ein­deutige Quanten­eigen­schaften zu ver­lieren. Stimmt die Quanten­physik also auch im Limit der großen Quanten­zahlen oder über­nimmt dann wieder die klas­sische Physik das Ruder? Die Wissen­schaftler nutzten hierfür eine neue Technik, spirale Pha­sen­­spiegel, mit welchen sich noch nie da gewesene Ver­dre­hungen und somit riesige Quanten­zahlen erreichen lassen. Die speziell für das Experi­ment herge­stellten Spiegel erzeugen Licht­schrauben mit einer Quanten­zahl von über 10.000 und sind damit hundert­mal Mal stärker ver­dreht als in früheren Experi­menten.

Im Experiment erzeugten die Forscher zunächst verschränkte Photonen­paare. Anschlie­ßend ver­drehten sie eines der Teil­chen mit Hilfe der Spiegel ohne die Ver­schrän­kung zu zer­stören und zeigten damit, dass die Quanten­physik auch im Bereich der fünf­stelligen Quanten­zahlen die rich­tigen Vor­her­sagen liefert. Obwohl das grund­legende Inte­resse zunächst im Vorder­grund stand, seien zukünf­tige Anwen­dungen im Bereich der Kommu­ni­kations- und Infor­mations­techno­logie nicht aus­ge­schlossen, so die Forscher.

U. Wien / RK

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