Forschung

Schnelle Spins schreiben und lesen

06.09.2019 - Neues Verfahren behebt Probleme bei der relativistischen Quantenkommunikation.

Quanteninformation beruht auf der Möglichkeit, Nachrichten in ein Quantenteilchen zu schreiben und zuverlässig auszulesen. Wenn jedoch das zur Kommunikation verwendete Quanten­teilchen relativistisch ist, kann man die Botschaft mit herkömmlichen Methoden nicht eindeutig entschlüsseln und die Kommunikation schlägt fehl. Mithilfe einer neuen Schreib- und Lese-Methode garantieren Forscher der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun das zuverlässige Entschlüsseln extrem schnell gesendeter Quanten­nachrichten. 
 

Stellen wir uns die folgende Situation vor: Anna und Bill wollen eine Nachricht austauschen, indem sie eine Eigenschaft eines Quantenteilchens, etwa den Spin eines Elektrons, verwenden. Bill braucht Annas Nachricht so rasch als möglich, also muss Anna das Elektron mit größtmöglicher Geschwindigkeit, sehr nahe an der Licht­geschwindigkeit, senden. Da Anna das Elektron bei sich in ihrem Labor hat, ist die Geschwindigkeit des Elektrons aufgrund eines fundamentalen Grundsatzes der Quantenphysik, des Heisenbergschen Unschärfe­prinzips, nicht beliebig gut definierbar. Wenn sich das Quanten­teilchen extrem schnell, also relativistisch, bewegt, bewirkt das Zusammenspiel von spezieller Relativitäts­theorie und Quantenphysik, dass sich der Spin und die Geschwindigkeit des Elektrons miteinander verschränken. Durch diese Korrelation, die stärker als klassisch möglich ist, kann Bill die Nachricht mit der herkömmlichen Methode, den Spin auszulesen, nicht korrekt entziffern. Können Anna und Bill ihre Kommunikations­strategie verbessern? 

Eine Forschergruppe unter der Leitung von Časlav Brukner an der Universität Wien und am Wiener Institut der Quantenoptik und Quanten­information der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) stellen nun eine neue Alternative zu dem von Anna und Bill verwendeten Alphabet vor. Diese garantiert, dass die von Anna geschriebene und von Bill gelesene Nachricht eindeutig entschlüsselt werden kann, obwohl sich das Teilchen sowohl nach den Regeln der Quantenmechanik gemäß des Heisenbergschen Unschärfeprinzips als auch nach den Regeln der Speziellen Relativitäts­theorie aufgrund seiner extrem hohen Geschwindigkeit verhält. 

Die neue Methode liefert eine neue Definition des Spins von Quantenteilchen, die sich sehr schnell bewegen. Damit ändert sie das Prinzip, wie Anna ihre Nachricht schreibt als auch die Vorgehensweise, wie Bill sie liest. Der Schlüssel der neuen Technik liegt in der „Übersetzung“ der Schreib- und Lese-Methode zwischen dem herkömmlichen Alphabet, bei dem sich das Elektron gar nicht bewegen würde, und dem neuen Alphabet, bei dem sich das Elektron extrem schnell bewegt. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Übersetzungs­verfahren neue Anwendungen in der relativistischen Quanten­information öffnen könnte“, sagt Flaminia Giacomini, die Hauptautorin der Arbeit. Diese Technik könnte etwa in der satellitenbasierten Quanten­kommunikation hilfreich sein, wenn Quanten­nachrichten schnell zwischen zwei entfernten Stationen ausgetauscht werden müssen.

U. Wien / DE

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