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Eine Quelle für verschränkte Lichtteilchen

Besondere Photonen durch stimulierte Emission erzeugt / Anwendungen in der Quantenkryptographie

Von Rainer Scharf

Licht besteht aus winzigen Energiepaketen, den Photonen, deren quantenmechanische Eigenschaften sich nur schwer mit unserer Alltagserfahrung in Einklang bringen lassen. So kann die Schwingungs- oder Polarisationsrichtung eines Photons perfekt mit der Schwingungsrichtung eines anderen, beliebig weit entfernten Lichtteilchens abgestimmt sein. Diese "Verschränkung" sieht man dem einzelnen Photon nicht an. Erst ein Vergleich der an beiden Photonen gemessenen Schwingungsrichtungen bringt die Abstimmung zutage. Dabei verhalten sich die beiden Lichtquanten wie zwei Würfel, die stets übereinstimmende Augenzahlen liefern, auch wenn man mit ihnen an weit voneinander entfernten Orten würfelt. Jetzt ist es Wissenschaftlern in Großbritannien gelungen, Paare und sogar Vierergruppen von verschränkten Photonen in größerer Zahl herzustellen. Das könnte der Quantenkryptographie und der Quantenteleportation neue Impulse geben.

Die Forscher um A. Lamas-Linares von der Universität Oxford haben die verschränkten Photonen mit der sogenannten stimulierten Emission hergestellt, die auch bei der Erzeugung von Laserlicht angewandt wird ("Nature", Bd. 412, S. 887). Dabei macht man sich zunutze, daß Lichtquanten "gesellige" Partikeln sind. So kann eine Lichtquelle Photonen einer bestimmten Sorte, die zum Beispiel in Farbe und Schwingungsrichtung übereinstimmen, um so einfacher abstrahlen, je mehr Photonen dieser Sorte sich bereits in der Nähe befinden. In einem Laser hält man deshalb mit Spiegeln die schon abgestrahlten Photonen fest, so daß sie die Emission gleichartiger Photonen begünstigen. Dadurch wächst die Zahl der Photonen lawinenartig an, und es entsteht ein intensiver Laserstrahl.

Auf ähnliche Weise ist jetzt auch die Abstrahlung von verschränkten Photonen "stimuliert" worden. Die britischen Forscher haben zunächst einen Bariumboratkristall mit gepulstem ultravioletten Laserlicht beschossen. Der Kristall konnte diese Photonen in je zwei infrarote Photonen aufspalten, die miteinander verschränkt waren. Das zeigte sich in deren Polarisationsrichtungen, die stets senkrecht zueinander standen. Eine "Photonenspaltung" geschah jedoch nur in einem von zehn Milliarden Fällen. Noch wesentlich seltener kam es vor, daß aus zwei ultravioletten Photonen gleichzeitig ein Quartett von verschränkten infraroten Photonen entstand. Die Photonenpaare und -quartette verließen mit dem ultravioletten Laserpuls den Kristall. Alle Photonen, auch die des Laserpulses, wurden anschließend zurück in den Kristall gelenkt. Dort angekommen, zwangen die verschränkten Lichtteilchen durch stimulierte Emission den ultravioletten Laserpuls, viermal soviel Photonenpaare und sechszehnmal soviel Photonenquartette zu erzeugen wie beim ersten Mal. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler rund 10 000 verschränkte Photonenpaare in der Sekunde herstellen.

Man könnte sich nun vorstellen, daß sich die Zahl der verschränkten Photonen weiter vermehren ließe, würde man den Vorgang beliebig oft wiederholen. Ob man auf diese Weise Laserlicht herstellen kann, das aus verschränkten Photonen besteht, ist allerdings ungewiß. Zu leicht kann die Verschränkung während des Laservorgangs durch äußere Einflüsse zerstört werden.

Die von den amerikanischen Forschern erzeugten Paare und Quartette von verschränkten Photonen lassen sich hervorragend zur Verschlüsselung von Nachrichten und zur Teleportation von Quantenzuständen nutzen. Das haben schon frühere Experimente gezeigt. Im Falle der Quantenkryptographie wurden Nachrichten mit verschränkten Photonenpaaren abhörsicher übertragen. Dazu führten ein Sender und ein Empfänger jeweils an einem Photon eines Paares eine Polarisationsmessung aus. Das Ergebnis blieb einem Lauscher prinzipiell verborgen. Bei der Quantenteleportation ist es gelungen, den Quantenzustand zum Beispiel eines Atoms mit einem verschränkten Photonenpaar auf ein weit entferntes zweites Atom zu übertragen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.09.2001, Nr. 218 / Seite N1

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