Schnellere Verschränkung entfernter Quantenpunkte

In vielen zuk¨¹nftigen Informations- und Telekommunikationstechnologien wird wahrscheinlich die sogenannte Verschr?nkung, ein erstaunlicher Effekt der Quantenphysik, eine wichtige Rolle spielen. Die Verschr?nkung von zwei Quantenobjekten f¨¹hrt dazu, dass Messungen an einem der Objekte augenblicklich die Eigenschaften des anderen festlegen ¨C ohne dass Informationen zwischen den beiden ausgetauscht wurden.

Albert Einstein bezeichnete diese seltsame Nichtlokalit?t noch ablehnend als ?spukhafte Fernwirkung?. Inzwischen haben sich Physiker l?ngst damit angefreundet,  und sie versuchen nun, sie nutzbringend anzuwenden, etwa um damit Daten abh?rsicher zu ¨¹bertragen. Dazu ist es unabdingbar, eine Verschr?nkung r?umlich weit entfernter Quantenteilchen herbeizuf¨¹hren. Das ist nicht einfach und funktioniert in der Regel recht langsam. Physiker um Atac Imamoglu, Professor am Institut f¨¹r  Quantenelektronik der ETH Z¨¹rich, zeigten jetzt ein Verfahren auf, mit dem sich tausendmal mehr Verschr?nkungen pro Sekunde herstellen lassen als bisher.

Weit entfernte Quantenpunkte

Die Nachwuchsforscher Aymeric Delteil, Zhe Sun und Wei-bo Gao verwendeten f¨¹r ihre Experimente zwei sogenannte Quantenpunkte, die sie in f¨¹nf Metern Entfernung voneinander im Labor platzierten. Quantenpunkte sind winzige, nur wenige Nanometer grosse Strukturen innerhalb eines Halbleitermaterials, in denen Elektronen wie in einem K?fig gefangen sind. Die quantenmechanischen Energiezust?nde der Elektronen k?nnen als Spins dargestellt werden, also als Pfeile, die nach oben oder unten zeigen. Sind die Spinzust?nde verschr?nkt, so kann man aus einer Messung an einem der Quantenpunkte herleiten, in welchem Zustand sich der jeweils andere befindet. Zeigt der Spin des ersten Quantenpunktes nach oben, so zeigt der andere nach unten, und umgekehrt. Vor der Messung allerdings weiss man von keinem der beiden, in welche Richtung er zeigt: Sie befinden sich in einer quantenmechanischen ?berlagerung beider m?glicher Spin-Kombinationen.

Verschr?nkung durch Schrotschuss

Um die beiden Quantenpunkte miteinander zu verschr?nken, machten sich die ETH-Forscher das Prinzip der ?Verk¨¹ndigung? zunutze. ?Es gibt derzeit leider praktisch keine M?glichkeit, weit entfernte Quantenobjekte mit Sicherheit und auf Knopfdruck miteinander zu verschr?nken ?, erkl?rt Imamoglu. Stattdessen muss man die Verschr?nkungszust?nde nach dem Schrotschussverfahren erzeugen, indem man die Quantenpunkte immer wieder mit Lichtteilchen beschiesst, die dann wieder zur¨¹ck gestreut werden. In einigen wenigen F?llen kommt es dann zu Zufallstreffern: Eines der Lichtteilchen l?st einen ?Klick? in einem Detektor aus, und die so entstandenen Spinzust?nde sind tats?chlich verschr?nkt.

Imamoglu und Kollegen machen sich diesen Trick zunutze. Sie schicken Laserpulse gleichzeitig an beide Quantenpunkte und messen die Lichtteilchen, welche diese daraufhin aussenden. Vorher haben sie allerdings daf¨¹r gesorgt, dass es unm?glich ist herauszufinden, von welchem Quantenpunkt die Lichtteilchen stammen. Der Klick im Detektor ?verk¨¹ndet? den Forschern dann, dass die Quantenpunkte in der Tat durch die Laserpulse verschr?nkt wurden und signalisiert ihnen, dass sie nun beispielsweise zur ?bertragung von Quanteninformationen weiterverwendet werden k?nnen.

Verbesserungen m?glich

Die Forscher testeten ihr Verfahren, indem sie die beiden Quantenpunkte etwa zehn Millionen Mal pro Sekunde mit Laserpulsen beschossen. Diese hohe Wiederholungsrate war m?glich, da sich die Spinzust?nde von Quantenpunkten in wenigen Nanosekunden kontrollieren lassen. Aus den Messungen ergab sich, dass dabei 2300 Mal pro Sekunde verschr?nkte Zust?nde der Quantenpunkte entstanden.

?Das ist schon mal ein guter Anfang?, sagt Imamoglu und f¨¹gt hinzu, dass sich das Verfahren durchaus noch verbessern l?sst. Um beispielsweise mehr als f¨¹nf Meter voneinander entfernte Quantenpunkte verschr?nken zu k?nnen, muss zun?chst deren Koh?renzzeit verl?ngert werden. Diese gibt an, wie lange ein Quantenzustand bestehen bleibt, bevor er durch Einwirkung seiner Umgebung (etwa durch elektrische oder magnetische Felder) zerst?rt wird. Braucht das Verk¨¹ndigungs-Lichtteilchen l?nger als die Koh?renzzeit, um zum Detektor zu fliegen, so verk¨¹ndet ein Klick keine Verschr?nkung mehr. In k¨¹nftigen Experimenten wollen die Physiker daher die einzelnen Quantenpunkte jeweils durch sogenannte Quantenpunkt-Molek¨¹le ersetzen, deren Koh?renzzeiten hundert Mal l?nger sind. Auch eine Verbesserung der Nachweiswahrscheinlickeit der Lichtteilchen k?nnte zu einer noch besseren Verschr?nkungs-Ausbeute f¨¹hren.