Erste Demonstration der 10-Photonen-Quantenverschränkung stellt neuen Rekord auf

Verschränkung ist das seltsame Phänomen, bei dem Quantenteilchen so tief miteinander verbunden werden, dass sie dieselbe Existenz teilen. Das einst seltene Verschränken von Partikeln ist in Labors auf der ganzen Welt zur Routine geworden.

Physiker haben gelernt, Verschränkung zu erzeugen, sie von einem Teilchen auf ein anderes zu übertragen und sogar zu destillieren. Tatsächlich ist die Verschränkung selbst zu einer Ressource geworden und zu einer entscheidenden Ressource für alles, von Kryptografie und Teleportation bis hin zu Computing und Simulation.

Aber ein erhebliches Problem bleibt. Um immer komplexere und leistungsfähigere Experimente durchführen zu können, müssen Physiker Verschränkungen in immer größeren Maßstäben erzeugen, indem sie mehr Teilchen gleichzeitig verschränken.



Die aktuellen Zahlen sind jedoch dürftig. Photonen sind die Quanten-Arbeitspferde in den meisten Labors, und der Rekord für die Anzahl verschränkter Photonen liegt bei lediglich acht, die mit einer Rate von etwa neun Ereignissen pro Stunde erzeugt werden.

Die Verwendung der gleichen Techniken zur Erzeugung einer Zählrate von 10 Photonen würde zu nur 170 pro Jahr führen, zu wenig, um sie sogar leicht messen zu können. Die Aussichten auf Besserung schienen also gering.

Deshalb ist die Arbeit von Xi-Lin Wang und seinen Freunden an der University of Science and Technology of China in Heifu beeindruckend. Heute geben sie bekannt, dass sie zum ersten Mal eine 10-Photonen-Verschränkung erzeugt haben, und zwar mit einer Zählrate, die drei Größenordnungen höher ist als alles, was bisher möglich war.

Der größte Engpass bei der Verschränkung von Photonen ist die Art und Weise, wie sie erzeugt werden. Dies beinhaltet einen Prozess, der als spontane parametrische Abwärtskonvertierung bezeichnet wird, bei der ein energetisches Photon in zwei Photonen mit niedrigerer Energie in einem Kristall aus Beta-Bariumborat umgewandelt wird. Diese Tochterphotonen sind natürlich verschränkt.

Durch kontinuierliches Zappen des Kristalls mit einem Laserstrahl ist es möglich, einen Strom verschränkter Photonenpaare zu erzeugen. Die Rate der Abwärtskonvertierung ist jedoch winzig, nur ein Photon pro Billion. Daher ist das effiziente Sammeln der verschränkten Paare enorm wichtig.

Das ist keine leichte Aufgabe, nicht zuletzt, weil die Photonen in leicht unterschiedlichen Richtungen aus dem Kristall kommen, die beide nicht einfach vorhergesagt werden können. Physiker sammeln die Photonen an den beiden Punkten, an denen sie am wahrscheinlichsten erscheinen, aber die meisten der verschränkten Photonen gehen verloren.

Xi-Lin und Co. haben dieses Problem angegangen, indem sie die Unsicherheit in den Photonenrichtungen reduziert haben. Tatsächlich konnten sie die Strahlen verschränkter Photonen so formen, dass sie zwei separate kreisförmige Strahlen bilden, die leichter gesammelt werden können.

Auf diese Weise hat das Team verschränkte Photonenpaare mit einer Rate von etwa 10 Millionen pro Watt Laserleistung erzeugt. Dies ist etwa um den Faktor vier heller als frühere Verschränkungsgeneratoren. Es ist diese Verbesserung, die die 10-Photonen-Verschränkung ermöglicht.

Ihre Methode besteht darin, fünf nacheinander erzeugte Paare verschränkter Photonen zu sammeln und sie in ein optisches Netzwerk aus vier Strahlteilern zu leiten. Das Team führt dann Zeitverzögerungen ein, die sicherstellen, dass die Photonen gleichzeitig an den Strahlteilern ankommen und so verschränkt werden.

Dies erzeugt den 10-Photonen-Verschränkungszustand, wenn auch mit einer Rate von etwa vier pro Stunde, was zwar gering, aber endlich erstmals messbar ist. Wir demonstrieren zum ersten Mal eine echte und destillierbare Verschränkung von 10 einzelnen Photonen, sagen Xi-Lin und Co.

Das ist eine beeindruckende Arbeit, die sofort die Aussicht auf eine neue Generation von Experimenten eröffnet. Die aufregendste davon ist eine Technik namens Boson Sampling, von der Physiker hoffen, dass sie beweisen wird, dass Quantencomputer wirklich zu Dingen fähig sind, zu denen klassische Computer nicht fähig sind.

Das ist wichtig, denn niemand hat einen Quantencomputer gebaut, der leistungsfähiger ist als ein Taschenrechner (abgesehen von den umstrittenen D-Wave-Ergebnissen). Sie werden es wahrscheinlich auch in naher Zukunft nicht tun. Das Bosonen-Sampling ist also die größte Hoffnung der Quantenphysiker, die es ihnen ermöglichen wird, zum ersten Mal die verblüffende Kraft der Quantencomputer zu demonstrieren.

Auch andere Dinge werden möglich, wie die Quantenteleportation von drei Freiheitsgraden in einem einzigen Photon und Multiphotonenexperimente über sehr große Distanzen.

Aber es ist die Möglichkeit des Boson-Samplings, die die Quantenphysik-Community erschüttern wird.

Ref: arxiv.org/abs/1605.08547 : Experimentelle Zehn-Photonen-Verschränkung

verbergen