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Quantenverschränkung : Sonnenlicht und Laserlicht quantenmechanisch vereint

Photonen von der Sonne treffen mit Photonen eines Lasers in einem Strahlteiler zusammen. Bild: C.-Y. Lu and L.-C. Peng/HFNL

Forscher überlagern erstmals Photonen der Sonne mit Lichtquanten eines Lasers im Labor. Trotz ihrer unterschiedlichen Ursprungsorte zeigen die Lichtteilchen ein typisches verschränktes Verhalten.

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          Die Verschränkung ist wohl das seltsamste Phänomen der Quantentheorie. Zwei miteinander verschränkte Teilchen verhalten sich wie ein einheitliches System, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Misst man die Eigenschaft eines Teilchens, wird augenblicklich auch der Quantenzustand des Partners festgelegt. Im Labor und in Freilandversuchen ist die Gültigkeit dieses „spukhaften“ Phänomens, das Albert Einstein äußerst suspekt war, auf Herz und Nieren getestet worden. Dabei wurden verschränkte Photonen auf Distanzen von mehreren hundert Kilometern erzeugt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Nun ist einer internationalen Forschergruppe ein weiterer experimenteller Wurf gelungen. Jian-Wei Pan von der Universität in Schanghai und seine Kollegen haben Lichtteilchen der Sonne mit Photonen aus einer irdischen Lichtquelle zur Überlagerung gebracht und miteinander verschränkt.

          Wenn Physiker in ihrem Labor Paare von korrelierten Lichtquanten erzeugen, fokussieren sie üblicherweise Laserlicht auf einen nichtlinearen Kristall. Dabei verwandelt sich das auftreffende Photon in zwei identische Lichtquanten mit jeweils halber Energie. Photonen lassen sich auch nachträglich miteinander verschränken, also erst nachdem sie erzeugt worden sind und bereits eine gewisse Strecke zurückgelegt haben. Diese Tatsache haben Jian-Wei Pan und seine Kollegen für ihre Experimente mit solaren Lichtteilchen genutzt.

          Bald Teleportation von Sonnenlicht?

          Die größte Hürde lag aber nicht, wie man meinen könnte, in der großen Distanz zwischen den beiden Lichtquellen, die rund 150 Millionen Kilometer betrug, sondern im Umstand, dass die Sonne eine Flut von Photonen mit verschiedenen Wellenlängen und Polarisationen erzeugt, die zu ganz unterschiedlichen Zeiten die Erde erreichen. Will man solare mit irdischen Photonen zur Überlagerung bringen, müssen die ungleichen Photonenpaare identische Eigenschaften aufweisen und exakt zur gleichen Zeit eine entsprechende optische Apparatur passieren.

          Schematischer Versuchsaufbau des Verschränkungsexperiments

          In ihrem Experiment haben die Forscher solare Photonen über ein Teleskop und Glasfasern in ihr Labor geführt. Dort wurden mit Hilfe von Spiegeln, Filtern und optischen Gittern jene herausgefiltert, deren optische Eigenschaften genau mit den Photonen übereinstimmten, die ein Halbleiter-Laser emittierte. Die passenden Kandidaten wurden dann gemeinsam mit den Lichtteilchen der irdischen Quelle auf einen Strahlteiler gelenkt. Trafen zwei Photonen exakt zur gleichen Zeit ein, kam es zur Interferenz. Die Photonen waren nun nicht mehr zu unterscheiden und verließen die Apparatur auf dem gleichem Weg, schreiben Pan und seine Kollegen in den „Physical Review Letters“. Um die Photonen eines Paares zu verschränken, war es nur noch ein kleiner Schritt und bedurfte eines geringen Umbaus der optischen Anordnung.

          Abwechselnde Messungen der Polarisationen zeigten, dass die Photonen ein perfekt abgestimmtes Verhalten an den Tag legten, wie es nur die Quantenphysik erlaubt. Nach Ansicht der Forscher könnten nun auch solare Photonen für typische Verschränkungs-Anwendungen – wie Quantenkryptographie oder Teleportation – genutzt werden, was die Möglichkeiten erweitert.

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