Hyperverschränkung in freier Luft

  • 24. July 2017

Eigen­schaften verschränkter Photonen trotz atmo­sphärischer Turbu­lenzen erfolg­reich nachgewiesen.

Quanten­physikalisch verschränkte Teilchen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Vielzahl von Eigen­schaften miteinander teilen und jede Messung an einem der Teilchen augen­blicklich den Zustand des anderen Teilchens festlegt. Während sich in der Vergangen­heit Experimente zur Ver­schränkung zumeist auf eine dieser Eigen­schaften konzen­trierten, hätte die Ausweitung der Untersuchung auf gleich mehrere Eigen­schaften große Vorteile für die Quanten­kommunikation: Geschwin­digkeit und Effizienz der Informations­übertragung könnten dadurch gesteigert werden.

Abb.: Sendestation mit rotem Justagelaser im Hedy Lamarr Teleskop am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW mit Blick in Richtung der Empfangsstation im Norden Wiens. (Bild: ÖAW)

Abb.: Sendestation mit rotem Justagelaser im Hedy Lamarr Teleskop am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW mit Blick in Richtung der Empfangsstation im Norden Wiens. (Bild: ÖAW)

Dieser Ansatz wird daher in der Quanten­forschung seit Längerem intensiv verfolgt. Er hat jedoch eine Schwach­stelle: Das Hyper­entanglement – die Verschrän­kung von Teilchen über mehrere Eigen­schaften – konnte bisher nur in Labor­experimenten nachge­wiesen werden. Für Verbin­dungen über größere Distanzen hinweg, ist eine Über­tragung durch die freie Luft wesentlich. Diese könnte aber durch Turbu­lenzen in der Atmo­sphäre verfälscht werden, so die Befürchtung in der Quanten­physik.

Diese Befürchtung konnten nun Forscher des Wiener Instituts für Quanten­optik und Quanten­information der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften (ÖAW) rund um Gruppen­leiter Rupert Ursin ent­kräften. Ihnen gelang es erstmals, Quanten­information anhand zweier Eigen­schaften von verschränkten Licht­teilchen – der Schwingungs­richtung und dem Erzeugungs­zeitpunkt – durch den Luftraum im Wiener Stadt­gebiet zu über­tragen und zu messen.

Mithilfe des Hedy Lamarr Teleskops am Dach des ÖAW-Instituts in der Wiener Boltzmann­gasse sowie einer Empfänger­station an der Univer­sität für Boden­kultur Wien wurden diese beiden Eigenschaften von ver­schränkten Licht­teilchen trotz atmo­sphärischer Turbu­lenzen am jeweils anderen Ende der Quanten­verbindung erfolgreich nachge­wiesen. „Expe­rimente mit der Zeit­verschränkung sind bisher nur in Glas­fasern gelungen. Wir konnten nun, zusätzlich zu der vielfach unter­suchten Schwingungs­richtung der Teilchen, auch den Zeitpunkt der Erzeugung der Teilchen als weitere Eigen­schaft der Teilchen erstmals in Frei­luft übertragen“, bestätigen Fabian Stein­lechner und Sebastian Ecker das Gelingen des Expe­riments.

Was diese erstmalige Unter­suchung des Hyper­entanglement in freier Atmo­sphäre für die weitere Entwicklung der Quanten­kommunikation bedeutet, erklärt Rupert Ursin: „Hyper­entanglement erlaubt es Licht­teilchen, Infor­mation die in unter­schiedlichen Eigen­schaften kodiert ist, gleich­zeitig auszu­tauschen. Das könnte die Geschwin­digkeit der Daten­übertragung in der Quanten­kommunikation erheblich beschleu­nigen.“ Denn durch die Ver­schränkung gleich mehrerer Eigen­schaften lässt sich die Anzahl der für die Über­tragung von Infor­mation benötigten Teilchen drastisch redu­zieren. Das macht die Quanten­verbindungen schneller und effizienter – und damit etwa auch künftige Experimente zur Quanten­kommunikation über Satel­liten noch vielver­sprechender.

ÖAW / JOL

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