Quantenteleportation mit Leuchtdiode

  • 01. March 2013

Optische Qubits mit elektrisch erzeugten Photonenpaaren übertragen.

Die Quantenteleportation ist ein wichtiges Verfahren für das Quantencomputing und die Quanteninformationsübermittlung. Dabei wird der Quantenzustand eines Teilchens augenblicklich auf ein beliebig weit entferntes zweites Teilchen übertragen. Polarisationszustände von Laserphotonen hat man schon 143 km weit teleportiert. Jetzt gelang erstmals die Quantenteleportation mit Photonen, die von einer Leuchtdiode erzeugt wurden.

Abb.:Die ELED erzeugt die verschränkten Photonenpaare, die auf Alice und Bob aufgeteilt werden. Alice führt am zeitlich verzögerten und gezielt polarisierten Input-Photon XXc sowie am Hilfs-Photon XXa spezielle Messungen durch. Daraufhin wird der Polarisationszustand des Input-Photons auf das mit dem Hilfs-Photon verschränkte Output-Photon Xt teleportiert. (Bild: J. Nilsson et al. / Nat. Photon.)

Abb.:Die ELED erzeugt die verschränkten Photonenpaare, die auf Alice und Bob aufgeteilt werden. Alice führt am zeitlich verzögerten und gezielt polarisierten Input-Photon XXc sowie am Hilfs-Photon XXa spezielle Messungen durch. Daraufhin wird der Polarisationszustand des Input-Photons auf das mit dem Hilfs-Photon verschränkte Output-Photon Xt teleportiert. (Bild: J. Nilsson et al. / Nat. Photon.)

Forscher um Mark Stevenson und Andrew Shields vom Toshiba-Forschungslabor in Cambridge haben bei ihren Experimenten eine spezielle, von ihnen entwickelte Leuchtdiode verwendet. Mit dieser „ELED“ (Entangled-Light-Emitting Diode) erzeugten sie sowohl die für die Teleportation benötigten verschränkten Photonenpaare als auch die Photonen, deren jeweiliger Polarisationszustand teleportiert werden sollte.

Die ELED bestand aus einem InAs-Quantenpunkt, der in eine p-i-n-dotierte GaAs-Mikrostruktur eingebettet war. Wurde eine elektrische Spannung an die ELED gelegt, so traten aus der n- und der p-dotierten GaAs-Schicht Elektronen bzw. Löcher in die undotierte Schicht. Dort konnte der Quantenpunkt zwei Elektron-Loch-Paare aufnehmen, die dabei ein Biexziton (XX) bildeten. Indem die beiden Elektron-Loch-Paare nacheinander rekombinierten, wobei im Zwischenschritt ein Exziton (X) entstand, strahlte die ELED zwei polarisationsverschränkte Photonen ab. Die Wellenlänge des XX-Photons war etwas kleiner als 889 nm, die des X-Photons etwas größer.

Da der Quantenpunkt erst nach Abstrahlung eines Photonenpaares neue Elektron-Loch-Paare aufnehmen konnte, war es ausgeschlossen, dass er gleichzeitig zwei verschränkte Photonenpaare emittierte. Die verschränkten Photonen zeigten somit „Anti-Bunching“ – im Gegensatz zu verschränkten Photonen, die mit Laserstrahlung in optisch-nichtlinearen Kristallen erzeugt werden. Durch das Anti-Bunching ist eine Verwechslung von Photonen aus unterschiedlichen Photonenpaaren ausgeschlossen, die bei der Teleportation zu Fehlern führt.

Für die Teleportation nach dem Protokoll von Bennett et al. (1993) wurden je zwei nacheinander erzeugte Paare von verschränkten Photonen verwendet. Aus dem ersten Paar wurde das XX-Photon als Input-Photon ausgewählt (das andere Photon wurde verworfen), mit einer Glasfaserschlaufe um 2,5 ns zeitverzögert und in einen von sechs vorgegebenen Polarisationszuständen gebracht. Dann wurde es mit dem XX-Photon des zweiten Paares („Hilfs-Photon“) über einen Strahlteiler zusammengeführt und mit ihm zusammen Bell-Zustandsmessungen unterzogen. Daraufhin nahm das X-Photon des zweiten Paares („Output-Photon“), das von den beiden anderen Photonen getrennt worden war, den Polarisationszustand des Input-Photons an.

Wie die Polarisationsmessungen am Output-Photon zeigten, war die Teleportation zwar nicht perfekt, sie hatte aber immerhin je nach teleportiertem Zustand eine Fidelity zwischen 0,574 und 0,833. Das war in jedem Fall höher als der Wert 0,5, den man für eine „Teleportation“ ohne Informationsübertragung errechnet. Die beobachtete „asymmetrische“ Teleportation, die für horizontale und vertikale Polarisationen deutlich besser funktionierte als für diagonale oder zirkulare, ist für bestimmte Anwendungen etwa in der Quantenkryptographie vorteilhaft.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Input-Photonen nicht von der ELED erzeugt werden müssen, sondern auch von einer externen Quelle stammen können. Die nötige Ununterscheidbarkeit zwischen den Hilfs- und den Input-Photonen ließe sich dadurch erreichen, dass man die Emissionsfrequenzen des Quantenpunktes mit Hilfe von elektrischen Feldern verändert. Durch die einfache elektrische Erzeugung der verschränkten Photonenpaare und deren Anti-Bunching eröffnet die ELED neue Möglichkeiten für die Quanteninformationsverarbeitung.

Rainer Scharf

PH

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