Wiener Physiker vereinfachen Messung von Quantenverschränkungen

Lediglich zwei "Fragen" genügen Wiener Physikern, um von quantenmechanisch verbundenen Lichtteilchen (Photonen) Auskunft über ihre komplexen Beziehungen zueinander zu erhalten. Im Fachblatt "Nature Physics" stellen sie ihren neuen Ansatz zur dramatisch vereinfachten Messung höherdimensionaler Verschränkung vor. Dadurch könne die Übertragungsrate von Information in Quantensystemen erhöht werden.

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung besagt, dass zwei Teilchen - etwa Photonen - wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind. Misst man an einem dieser Teilchen beispielsweise die Richtung der Lichtschwingung (Polarisation), zeigt sich, dass das Partnerteilchen auch in der selben Richtung schwingt.

Kryptografie

Das lässt Wissenschafter seit geraumer Zeit an technischen Anwendungen tüfteln. So etwa in der Quantenkryptografie, wo Photonenpaare zwischen Kommunikationspartnern aufgeteilt werden. Information können dann nur zwischen diesen beiden Partnern ausgetauscht werden und kein Außenstehender könnte unbemerkt in den Austausch eingreifen. Ansätze zur Informationsübertragung auf Quanten-Basis könnten zukünftig auch in eine Art Quanten-Internet münden. In der konventionellen Quantenkryptografie kann zwischen einem solchen Photonenpaar jedoch nur immer eine Informationseinheit (Bit) übertragen werden, zum Beispiel durch die Richtung der Polarisation, die dann für "null" oder "eins" steht.

Mittlerweile verschränken Physiker aber Lichtteilchen auch auf vielschichtigere Art und Weise. So können auch mehr als zwei Photonen verschränkt werden - und das nicht nur in zwei ("null" oder "eins"), sondern in mehreren Dimensionen. Könnte man etwa zwei Spielwürfel verschränken, wären diese - wegen der sechs Möglichkeiten - in sechs Dimensionen verbunden.

Einfache Messung

Das aus Physikern, Mathematikern und Computerwissenschaftern bestehende Team um Marcus Huber vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) hat die Photonen über ihren sogenannten orbitalen Drehmoment verschränkt, also wie sie sich im Raum ausbreiten. Hier wurden gar elf unterschiedliche Drehmomente unterschieden. Dadurch kann viel mehr Information pro Photon sicher übermittelt werden, was die Übertragungsraten bei der Quantenkommunikation erhöhen würde.

Dazu muss man aber zunächst feststellen, ob die höherdimensionale Verschränkung auch tatsächlich vorliegt. Je mehr Informationen mit den Photonen allerdings transportiert werden, desto mehr Messungen müssten bei konventioneller Herangehensweise durchgeführt werden. Das gefährdet die fragilen Quantenzustände und macht die technische Umsetzung kompliziert. Die Wiener Physiker haben auf diese Problemstellung eine Antwort gefunden.

Obwohl man in diesen höheren Dimensionen eine unendliche Vielzahl an unterschiedlichen Messungen machen könnte, die allesamt eine Vielzahl an Antworten liefern, haben die Wiener Physiker gezeigt, dass es für jeden Quantenzustand zwei spezielle Messungen gibt, mit denen dieser Zustand eindeutig festgelegt werden kann. "Es ist also sozusagen möglich mit bloß zwei Fragen die Antwort auf alle möglichen Fragen über den Zustand der Photonen zu erhalten", sagte Huber. Die neue Methode sei zudem effizienter und robuster gegenüber Störungen als bisherige Ansätze. Dass ihre Idee tatsächlich auch in der Praxis funktioniert, haben die Forscher dann auch bereits in ihren Experimenten gezeigt.