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Forschungsarbeit

Experimentelle Vielteilchen-Verschränkung

von Witlef Wieczorek

Verschränkung ist eine physikalische Eigenschaft zwischen zwei oder mehr Teilchen, die direkt aus dem quantenmechanischen Superpositionsprinzip folgt. Das Prinzip besagt, dass für alle möglichen Zustände eines Teilchens auch deren Überlagerungen mögliche Zustände sind. Während dieses grundlegende Prinzip überall im Mikrokosmos anzutreffen ist, so führt es im Makrokosmos zu bizarren Aussagen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist „Schrödingers“ Katze: Das genannte Superpositionsprinzip impliziert, dass eine Katze außer den uns bekannten Zuständen, tot und lebendig, eben auch in Überlagerungen aus beiden sein kann - ein Phänomen, das unsere Vorstellungskraft übersteigt. Erlaubt man nun eine Überlagerung von Zuständen mehrer Teilchen, so entstehen verschränkte Zustände. Diese sind nicht mehr individuell, sondern nur noch als gesamtes System vollständig beschreibbar. Das bedeutet, dass über den Zustand eines Teilchens keine Aussage getroffen werden kann.

Albert Einstein zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen haben 1935 unter Benutzung eines verschränkten Systems gezeigt, dass für ein lokal-realistisches Weltbild die Quantenmechanik unvollständig sein muss. Dabei bezeichnet lokal, dass raumartig getrennte Ereignisse sich nicht beeinflussen, d.h. keine Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit stattfinden kann. Mit realistisch ist gemeint, dass Eigenschaften von Teilchen unabhängig von einer Messung festliegen. Im selben Jahre hat Erwin Schrödinger in einer Antwort auf diese Arbeit den Begriff der Verschränkung geprägt. Lange Zeit wurden über diesen Punkt heftige Debatten geführt. Erst 1964 konnte John Bell ihn so mathematisch formulieren, dass er überprüfbar wurde. Bell konnte zeigen, dass verschränkte Systeme zu experimentellen Vorhersagen führen, die den lokal-realistischen widersprechen. Bisher haben entsprechende Experimente mit verschränkten Systemen immer Ergebnisse geliefert, die im Einklang mit den Vorhersagen der Quantenmechanik stehen.

Heutzutage werden verschränkte Systeme nicht nur zu diesen fundamentalen Tests herangezogen, sondern auch als bedeutende Ressource für Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformation verwendet. Das Ziel der Quanteninformation ist die Verbesserung klassischer Informationsverarbeitung mittels quantenphysikalischer Methoden. Dabei spielen verschränkte Systeme eine große Rolle, da sie beispielsweise zur abhörsicheren Kommunikation (Quantenkryptographie) oder auch als Grundlage eines Quantencomputers benutzt werden können.

Nun gibt es aber verschiedene verschränkte Zustände und es stellt sich die Frage, ob sie äquivalent sind, d.h. ob alle für dieselben Anwendungen genutzt werden können, oder ob verschiedene Arten und damit Anwendungen von Verschränkung existieren. Eine mögliche Beantwortung dieser Frage kann mittels folgenden Klassifikationskriteriums erfolgen: Man erlaubt beliebige Manipulationen am einzelnen Teilchen, aber keine Manipulationen am Gesamtsystem. Dann zeigt sich, dass bei zwei Teilchen dieses Kriterium nur eine Art von Verschränkung zulässt, während schon bei nur vier Teilchen unendlich viele Verschränkungsarten zu finden sind.

[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Ultrakurze, brillante rote Laserpulse werden in blaue Laserpulse konvertiert. Diese lösen den Prozess der parametrischen Fluoreszenz in einem nichtlinearen Kristall aus.
[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Linear optischer Aufbau für die Realisierung einer Familie von verschränkten Vierphotonen-Zuständen.

Unser Ziel ist es verschiedenste verschränkte Zustände experimentell zu erzeugen, zu charakterisieren und grundlegende Anwendungen zu demonstrieren.

Als Informationsträger benutzen wir die Teilchen des Lichts, die Photonen. Die Information selbst ist in der Polarisation, einer Eigenschaft der Photonen, kodiert. Die Quelle der Photonen ist der Prozess der parametrischen Fluoreszenz. Dabei wird ein nichtlinearer Kristall mit ultrakurzen, brillanten Laserpulsen (siehe Abbildung 1) bestrahlt. Bei der parametrischen Fluoreszenz können diese Laserphotonen in verschränkte Photonenpaare konvertieren. Die Verschränkung zwischen den Photonen wird noch durch optische Elemente wie Strahlteiler und Phasenschieber weiter verändert (siehe Abbildung 2), so dass letztendlich der gewünschte verschränkte Zustand bei Detektion einer bestimmten Anzahl von Photonen registriert werden kann.

Solch ein experimenteller Aufbau hatte bisher den Nachteil, dass nur jeweils ein einziger verschränkter Zustand in einem experimentellen Aufbau untersucht werden konnte. Uns ist es jedoch gelungen, mittels eines Aufbaus eine ganze Familie von verschränkten Zuständen von vier Photonen zu untersuchen. Die Zustände dieser Familie sind besonders relevant für verschiedenste Aufgaben der Quantenkommunikation. Derzeit untersuchen wir deren charakteristische Eigenschaften wie auch mögliche Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformation im Detail.

Live-Mitschnitt des Vortrags von Witlef Wieczorek beim "Bavarian Get-together" auf der Lindauer Nobelpreisträgertagung am 4. Juli 2008:


Witlef Wieczorek
* 1979

Stationen
  • 1999-2005
  • Physikstudium an der Technischen Universität Berlin mit Abschluss Diplom
  • 2001-2002
  • Auslandsstudium in Glasgow, UK
  • seit 2006
  • Promotion in der AG Weinfurter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Doktorand des internationalen Doktorandenkollegs Quantum Computing, Control and Communication des Elitenetzwerk Bayerns
  • seit 2002
  • Stipendiat bzw. Promotionsstipendiat der Studienstiftung des deutschen Volkes

Ausgewählte Veröffentlichungen
  • W. Wieczorek, Ch. Schmid, N. Kiesel, R. Pohlner and H. Weinfurter, Experimental observation of an entire family of four-photon entangled states, akzeptiert für die Veröffentlichung in Phys. Rev. Lett. (2008).
  • Ch. Schmid, N. Kiesel, W. Laskowski, W. Wieczorek, M. Zukowski and H. Weinfurter, Discriminating multi-partite entangled states, Phys. Rev. Lett. 100, 200407 (2008).
  • J. Pachos, W. Wieczorek, C. Schmid, N. Kiesel, R. Pohlner and H. Weinfurter, Revealing anyonic statistics with multiphoton entanglement, arXiv:0710.0895 [quant-ph] (2007).