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Technologiesprung bei spukhaft verschränkten Lichtteilchen

Video: Quantenverschränkung – Das Phänomen der Nichtlokalität

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Wiener PhysikerInnen um Philip Walther und Anton Zeilinger entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt, ohne diesen zu messen.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die kaum mit dem alltäglichen, makroskopischen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, so ändert sich auf “spukhafte Weise” auch der Zustand des anderen Teilchens.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, ist diese wissenschaftliche Arbeit der Wiener PhysikerInnen ein wichtiger Schritt.

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Die von Wiener ForscherInnen realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. “Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen”, erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Neben der fundamentalen Bedeutung von verschränkten Systemen, liefern diese auch vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und zur abhörsicheren Kommunikation unter Ausnutzung von quantenmechanischen Prinzipien. Verschränkte Photonen bilden daher seit vielen Jahren einen Ausgangspunkt für zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik und sind die Basis für experimentelle Realisierungen von Konzepten zur Quanteninformationsverarbeitung. So wurden bereits einfache Quantencomputer realisiert, die die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um eine schnellere und sicherere Informationsverarbeitung zu ermöglichen. (Quelle: idw)

Die Realisierung von Quantencomputern rückt näher


(idw). Die Eigendrehung der Elektronen – der “Spin” – liegt in der heutigen Elektronik noch brach. Könnte man ihn als Informationsträger nutzen, würde sich die Rechenleistung elektronischer Bauteile schlagartig vervielfachen. Bochumer Physikern ist es zusammen mit Kollegen aus Dortmund, St. Petersburg und Washington jetzt gelungen, den Elektronenspin auszurichten, zum kontrollierten “Torkeln” zu bringen und auszulesen. Mittels optischer Impulse konnten sie die Spins der Elektronen auch jederzeit beliebig neu ausrichten.
“Das ist der erste, wichtige Schritt zu einer Adressierung dieser ‘quanten bits’, die in künftigen Datenübertragungssystemen und Rechnern Einzug halten werden”, freut sich Prof. Dr. Andreas Wieck. Die Forscher berichten in NATURE Physics.

Komplexe Rechenoperationen auf kleinstem Raum

Die gesamte heutige Elektronik gründet sich auf elektrische Ladung: Wenn eine Speicherzelle (Bit) elektrische Ladung enthält, entspricht dies logisch “1”, ist keine Ladung enthalten, entspricht dies logisch “0”. Aber Elektronen enthalten nicht nur Ladung – sie drehen sich auch wie ein Kreisel um die eigene Achse und erzeugen so ein Magnetfeld, ähnlich dem der Erde. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds kann man dieses Kreiseln beschleunigen oder verlangsamen, den “Kreisel” zum Torkeln bringen und seine Achse in fast beliebige Winkel kippen. Wenn man diese vielfältigen Möglichkeiten als Informationsträger nutzt, kann man mit einem Elektron sehr viel mehr Information als nur “0” und “1” speichern. Darüber hinaus können benachbarte Elektronen, da sie wie zwei Pinwand-Magnete Kräfte aufeinander ausüben, in verschiedene Konfigurationen gebracht werden, was die Datenspeicherung und -verarbeitung noch komplexer gestalten kann. Solche so genannten Quantenbits (“qubits”) können schon in geringer Anzahl von nur einigen zig qubits anstelle einiger Millionen Bits sehr komplexe Rechenvorgänge ausführen.

Spins einsperren in Indium-Arsenid-Inseln

Natürlich ergibt ein einzelnes Elektron nur wenig messbare Wirkung. Dadurch sind Einzel-Elektronenmessungen nur mit höchstempfindlichen Instrumenten unter großen Schwierigkeiten durchführbar. Eine Spezialität des internationalen Forscherteams ist es daher, rund eine Million Elektronen in jeweils fast genau gleiche Indium-Arsenid-Inseln (“Quantendots”) einzusperren und ihre Wirkung zu addieren. Diese “ensemble”-Messungen ergeben um sechs Größenordnungen stärkere Signale, die einfach aufzuzeichnen und sehr robust sind. “Entgegen den Vorurteilen vieler internationaler Konkurrenten verhalten sich dabei alle beteiligten Elektronenspins genau gleich und die mikroskopischen Effekte können daher sehr einfach gemessen werden”, so Wieck.

Quantendots optisch schalten

In der in “NATURE” veröffentlichten Studie ist es nun gelungen, diese Elektronenspins nicht nur auszurichten, sondern auch optisch mit einem Laserpuls zu beliebigen Zeitpunkten in eine gewünschte Richtung zu drehen und diese Richtung mit einem weiteren Laserpuls auszulesen. Dies ist der erste wichtige Schritt, um qubits zu “adressieren” und zu beeinflussen. “Das Interessante ist dabei, dass diese Elektronen in Festkörper eingeschlossen sind, man also nicht wie z.B. bei der Quantenoptik aufwändige Höchstvakuumtechnik und allseitigen Lichteinschluss braucht, um sie dauerhaft in einem Bauelement halten zu können”, unterstreicht Prof. Wieck. Das Höchstvakuum wird nur einmal bei der Herstellung der Quantendots in Bochum benötigt, danach ist das Halbleitersystem gegen Lufteinfluss versiegelt, langlebig und zuverlässig wie alle heute schon verwendeten Transistoren und Speicherzellen.

Die Diagramme zeigen das “Torkeln” der Spins (Amplitude der Schwingung, nach oben aufgetragen) nach einem Ausrichtungs-Laserpuls in Abhängigkeit der Zeit. Eine Schwingungsperiode entspricht einem vollen “Torkel”-Umlauf. Wie zu erwarten, nimmt die Stärke (Amplitude) mit der Zeit bei allen roten Kurven ab. Nach 1,2 Nanosekunden (ns) wird ein Laser-Kontrollpuls eingestrahlt, der die Ausrichtung der Spins schlagartig verändert, was man an der Phase der blauen und schließlich grünen Kurve sehen kann: Sie ist genau in Gegenphase zur schwarzen unteren Kurve, die ohne Kontrollpuls aufgenommen wurde. Zusätzlich schaukelt sich dieses Torkeln in Gegenphase bei 2,4 ns auf, sodass das Signal dann besonders groß wird, was die Auslesung erheblich erleichtert.

Titelaufnahme

A. Greilich, Sophia E. Economou, S. Spatzek, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, T. L. Reinecke & M. Bayer: Ultrafast optical rotations of electron spins in quantum dots. In: NATURE Physics, 22.3.2009, DOI 10.1038/NPHYS1226