Haltbare Verschränkung

Kombination von Nanotechnologie und Oberflächen-Plasmonen

Eines der Hauptprobleme der Verschränkung von Photonen und der zukünftigen technologischen Nutzung für Quantencomputing ist die große Instabilität dieses Zustands. Holländische Physiker berichten jetzt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature von einem Experiment, das ungeahnt robuste Verschränkungen ermöglicht.

Bild

Verschränkung heißt, dass ein Paar Photonen, das sind Lichtquanten, bzw. Teilchen ohne Masse (Vgl. Welle-Teilchen Dualismus von Licht, durch die Messung die gleichen Eigenschaften hat, auch über große Entfernungen. Albert Einstein entdeckte diesen Effekt bereits in den 30er Jahren und nannte ihn misstrauisch eine "spukhafte Fernwirkung", denn er widerspricht - wie so vieles in der Quantenmechanik - dem was man allgemein gesunden Menschenverstand nennt. Wird ein Photon eines solchen verschränkten Paares in seinen Eigenschaften verändert, dann ändert sich das zweite, entfernte Photon parallel und gleichzeitig. Das ist für technologische Anwendungen höchst interessant und die Quantenphysiker träumen von der kommerziellen Nutzung der Teleportation (Vgl. Ab in den Transporterraum, bald wird gebeamt!), des Quanten-Computers (Vgl. Schuld war nur der Bosenova) und der Quantenkryptografie (Vgl. Scott me up, Beamy: Quantenkommunikation über weite Strecken).

Ein großes Problem dabei ist, dass die Verschränkung unter stark kontrollierten und isolierten Bedingungen stattfinden muss, denn der Zustand ist sehr empfindlich, jede kleine Interaktion mit der Umgebung führt zum Zerfall, Dekohärenz genannt. Diese Instabilität sorgt dafür, dass wir im Alltag keine Schrödinger Katzen" erleben (Vgl. Quanten im Chaos). Die hohe Sensitivität dieses Quantenzustands macht seine Herstellung und Aufrechterhaltung sehr aufwändig.

Umso verblüffender ist das Experiment von E. Altewischer, M.P. van Exter, und J.P. Woerdman von der Universität Leiden in den Niederlanden, denn die Verschränkung erwies sich trotz zwischengeschalteter perforierter Metallschichten als robust.

Schema des Experiments, BBO ist der Kristall, P die Polarizer, D die Detektoren), Bild

Die Versuchsanordnung des Experiments sah folgendermaßen aus: Photonen des gleichen Energielevels (gleicher Wellenlänge) wurden durch einen speziellen Kristall geschickt, der die Lichtquanten dazu bringt, sich in jeweils zwei neue Photonen aufzuspalten. Dieser Vorgang wird Down Conversion genannt. Die so entstehenden Photonen haben dann jeweils die halbe Energie ihrer Elterngeneration" und erhalten ihre Eigenrotation, Spin genannt (Vgl. Eistanz in Richtung Spin-Elektronik). Ihre Polarisation ist immer orthogonal (im rechten Winkel) zueinander. Durch ihren verschränkten Zustand verändert eine Messung an einem der Teilchen auch den Zustand des anderen.

Das Team um Altewischer hat den Photonen perforierte Metallplättchen in den Weg gestellt, deren Loch-Muster kleiner waren als die Wellenlänge der Photonen. Der Durchmesser der Löcher betrug 200 Nanometer, die Wellenlänge der Photonen 813 Nanomenter. Durch dieses Nanostruktur-Arrangement wurden die verschränkten Photonen in elektronische Vibration umgewandelt, in so genannte Oberflächen-Plasmonen (Vgl. More information on Surface Plasmons) auf der Metalloberfläche.

Viele Photonen wurden in der Metallschicht absorbiert, aber einige überlebten das Prozedere und waren anschließend erstaunlicherweise noch verschränkt. Die Umwandlung des Lichts in elektromagnetische Wellen und zurück geschieht sehr rasch, es bedarf nur einiger Femtosekunden (10 hoch minus 15 Sekunden). Die niederländischen Wissenschaftler haben durch ihr Experiment nicht nur beweisen, dass Verschränkung haltbarer ist, als bisher vermutet, sie haben auch zwei Forschungsrichtungen vereint: Quanteninformation und nanostrukturierte Metall-Optik.

In seinem begleitenden News-and-Views-Artikel in der gleichen Ausgabe von Nature wertet William Barnes von der englischen University of Exeter das Experiment als viel versprechend:

Den Artikel Plasmon assisted transmision of entagled photons" von Altewischer und Kollegen gibt es auch frei online zum Download

http://www.heise.de/tp/artikel/12/12934/1.html