Linzer Physiker zeigen Teleportation auf Knopfdruck

Bei der Teleportation von Quantenzuständen ist man noch weitgehend auf die zufällige Entstehung verschränkter Photonenpaare angewiesen. Forschern der Universität Linz ist es nun gelungen, solche Paare auf Knopfdruck herzustellen. Wie die Forscher im Fachjournal "Science Advances" berichten, verwendeten sie dafür in Halbleiterkristallen eingebettete Quantenpunkte.

Auch wenn nichts fundamental dagegen sprechen würde - die Teleportation, wie man sie aus Star Trek kennt, mag für immer eine Utopie bleiben. Selbst ein winziges Staubkorn zu beamen, übersteigt unsere technischen Möglichkeiten bei Weitem und würde außerdem voraussetzen, dass sich die benötigte Materie in ihrem Rohzustand bereits am Zielort befindet. Die Teleportation einzelner Quantenzustände dagegen ist bereits real und gilt als eine der Schlüsseltechnologien für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Sie soll es ermöglichen, hundertprozentig sicher verschlüsselte Nachrichten auch über große Distanzen hinweg zu übertragen.

Photonenpaare

Die dafür benötigten verschränkten Photonenpaare stammen üblicherweise aus sogenannten nichtlinearen Kristallen, in denen ein einzelnes hochenergetisches Photon in zwei verschränkte Photonen niedrigerer Energie aufgespalten wird. "In diesem Prozess spielt der Zufall eine große Rolle", erklärte der Erstautor der aktuellen Studie, Marcus Reindl vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz gegenüber der APA. "Deshalb weiß man nie genau, wann ein geeignetes Photonenpaar entstehen wird. Für technologische Umsetzungen ist das ein großer Nachteil."

Reindl und seine Kollegen benutzen deshalb winzige, in Halbleiterkristallen eingebettete Quantenpunkte. Auch sie werden mit Licht in Form von Laserpulsen angeregt und geben darauf hin zwei verschränkte Photonen ab, allerdings mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit. "Das funktioniert im Grunde auf Knopfdruck", sagte Reindl. "Jeder Laserpuls erzeugt mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit ein Photonenpaar, das wir dann für die Teleportation nutzen können." Dem Physiker zufolge ist es das erste Mal, dass derartige "on demand" erzeugte Quantenobjekte erfolgreich für die Teleportation eingesetzt wurden.

Um die Quantenpunkte zu erzeugen, ätzten die Forscher zunächst ein hochsymmetrisches Loch in die Oberfläche eines Aluminium-Gallium-Arsenid-Kristalls und füllten es mit reinem Gallium-Arsenid auf. Abschließend wurde der Punkt noch mit dem für die verwendeten Photonen transparenten Aluminium-Gallium-Arsenid abgedeckt. "Die hohe Reinheit und Symmetrie unserer Quantenpunkte sind der Schlüssel zur zuverlässigen Erzeugung verschränkter Photonenpaare", sagte Reindl. Zwar ist auch das neue System noch nicht perfekt und "verschluckt" immer wieder Photonen unmittelbar nach der Erzeugung. In Verbindung mit Fortschritten anderer Forschungsgruppen sieht Reindl aber großes Potenzial für den zukünftigen technologischen Einsatz von Quantenpunkten als Lichtquellen für die Quantenkommunikation.