Innsbruck/Wien - Bereits vergangenes Jahr haben Gregor Weihs und sein Team an der Universität Innsbruck demonstriert, wie man in Quantenpunkten gezielt einzelne Photonenpaare erzeugen kann. Nun berichten die Forscher im Fachmagazin "Nature Communications", wie sich diese Photonenpaare zeitlich miteinander verschränken lassen.

Wenn künftig Quantenkommunikation über globale Glasfasernetzwerke ablaufen soll, ist man auf verlässliche Träger für die Quanteninformation angewiesen. Notwendig dafür sind gut kontrollierbare Photonenquellen. Genau an dieser Kontrollierbarkeit mangelte es aber bisher bei solchen Quellen aus Halbleiterkristallen, sie sind zudem mit hohem technischem Aufwand verbunden. Die Innsbrucker Methode ist dagegen nach Angaben der Forscher sehr gut kontrollierbar und deutlich weniger aufwändig.

10.000 Atome verhalten sich wie ein einzelnes Teilchen

Bereits im Vorjahr hat Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck mithilfe sogenannter Quantenpunkte gezielt Paare von Lichtteilchen erzeugt. Solche Quantenpunkte aus Indiumarsenid bestehen aus etwa 10.000 Atomen. Diese verhalten sich bei Kühlung mit flüssigem Helium ähnlich wie ein einzelnes Atom, lassen sich aber deutlich einfacher manipulieren als ein einzelnes Teilchen.

Schon bisher konnten die Wissenschafter mit Quantenpunkten verschränkte Photonenpaare erzeugen. Diese seien aber über die Polarisation, also die Schwingungsebene des Lichts, verschränkt gewesen, sagte Weihs. Bei der Verschränkung handelt es sich um eine charakteristische Eigenschaft der Quantenmechanik, bei der verschränkte Teilchen über beliebige Distanzen miteinander verbunden bleiben.

"Wenn man diese Photonen mittels Glasfasern über große Distanzen übertragen möchte, ist die Verschränkung über Polarisation aber nicht gut", so Weihs. Besser sei hier eine zeitliche Verschränkung der beiden Teilchen. Und genau das ist den Physikern nun gelungen.

Verschränkung per Laserpuls

Damit der Quantenpunkt ein Photonenpaar aussendet, muss er mit einem Laser angeregt werden. Die Physiker schicken dabei kurz hintereinander zwei Laserpulse zu dem Quantenpunkt. Für einen Beobachter ist es dabei nicht mehr unterscheidbar, ob das dabei entstehende Photonenpaar vom ersten oder zweiten Laserpuls erzeugt wurde. "Damit sind die beiden zeitlichen Zustände der Photonen miteinander verschränkt", sagte Weihs.

Wesentlich ist aber vor allem, dass man mit diesem "Automat" gegenüber anderen Verfahren die Photonenpaare sehr kontrolliert erzeugen kann. In Zukunft könnten so Quantenrepeater einzeln erzeugte Photonenpaare verarbeiten, um Quanteninformation über lange Strecken zu übertragen. Als weitere mögliche Einsatzgebiete nannte Weihs die Quantenkryptografie oder optische Quantencomputer.

Ein Problem haben die Physiker aber noch: Derzeit spuckt der "Automat" ab und zu auch zwei Photonenpaare gleichzeitig aus. Die Physiker haben aber bereits Ideen, wie sie das verhindern könnten. (APA/red, derStandard.at, 05.07.2014)