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Neues vom Biphoton

Von Rainer Scharf

Wenn zwei verschränkte Photonen weit voneinander entfernt sind, kann man sie für die Quantenteleportation nutzen. Bleiben sie jedoch beieinander, so bilden sie ein Biphoton, dessen ungewöhnliche Welleneigenschaften japanische Physiker jetzt genauer untersucht haben.

Keiichi Edamatsu und seine Kollegen von der Universität Osaka haben die verschränkten Photonenpaare in großer Zahl durch so genannte Abwärtskonversion erzeugt. Dabei wandelte ein Kristall mit nichtlinearen optischen Eigenschaften ein ultraviolettes Photon in zwei infrarote Photonen um. Diese beiden Photonen hatten dieselbe Energie und waren senkrecht zueinander polarisiert, wobei ihre Polarisationsrichtung unbestimmt blieb.

Nach ihrer Entstehung flogen die beiden verschränkten Photonen in unterschiedliche Richtungen davon. Mithilfe von Spiegeln brachte man sie wieder zusammen, sodass sie ihren Weg gemeinsam fortsetzen konnten. Die Eigenschaften dieser Biphotonen unterschieden sich deutlich von denen der einzelnen Photonen, wie die japanischen Forscher durch Interferenzexperimente herausgefunden haben.

Zunächst traf jedes Biphoton auf eine halbverspiegelte Glasplatte, die seine beiden Photonen entweder gemeinsam durchließ oder reflektierte. Das Biphoton verhielt sich also tatsächlich wie ein Teilchen. Seine Materiewelle hingegen wurde von der halbverspiegelten Glasplatte in zwei Teilwellen aufgespalten, die zwei verschiedene Wege durchliefen und schließlich wieder zusammengeführt und zur Interferenz gebracht wurden. Mithilfe von Photodetektoren ließ sich feststellen, ob sich die beiden interferierenden Teilwellen gegenseitig verstärkten oder abschwächten.

Als die Forscher die Länge eines der beiden Wege langsam vergrößerten, beobachteten sie einen periodischen Wechsel zwischen Verstärkung und Abschwächung der beiden Teilwellen: Wenn sie die Weglänge um die halbe Wellenlänge der infraroten Photonen änderten, wiederholte sich das Interferenzmuster. Brachten sie hingegen einzelne Photonen statt Biphotonen zur Interferenz, so mussten sie die Weglänge um eine ganze Wellenlänge ändern, bevor sich das Interferenzmuster wiederholte. Daraus schließt man, dass die Wellenlänge der Biphotonen nur halb so groß ist wie die der einzelnen Photonen.

Doch es gab noch einen weiteren Unterschied zwischen Photonen und Biphotonen. Bei den Photonen verschwand das Interferenzmuster völlig, wenn sich die Längen der beiden Wege, die die Teilwellen durchlaufen hatten, um einige zehntel Millimeter unterschieden. Das liegt daran, dass die Photonen die Form von Wellenpaketen hatten, die weniger als ein zehntel Millimeter lang waren. Daher konnten sich die beiden Teilwellen eines Photons nicht mehr überlagern, wenn ihr Abstand mehrere zehntel Millimeter betrug. Biphotonen hingegen zeigten auch dann noch ein deutliches Interferenzmuster, wenn die Weglängen sich um einen halben Millimeter unterschieden. Die Wellenpakete der Biphotonen waren demnach wesentlich größer als die der Photonen.

Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Biphotonen könnte man auch praktisch nutzen, zum Beispiel bei der lithographischen Herstellung von Halbleiterbauelemente. Da Biphotonen eine kürzere Wellenlänge haben als einzelne Photonen, ließen sich mit ihnen kleinere Maskenstrukturen auf die Siliziumwafer projizieren als mit normalem Licht. 

Quelle
Keiichi Edamatsu et al., Measurement of the Photonic de Broglie Wavelength of Entangled Photon Pairs Generated by Spontaneous Parametric Down-Conversion, Physical Review Letters 89, 213601 (2002)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e213601
http://lanl.arxiv.org/abs/quant-ph/0109005

Kontakt
Keiichi Edamatsu, E-Mail: eda@mp.es.osaka-u.ac.jp

Weiterführende Quellen
Ryosuke Shimizu et al., Quantum interference and diffraction of parametric down-converted biphotons, Pramana 59, 165 (2002)
http://www.iisc.ernet.in/pramana/aug2002/Qt28.pdf

Homepage der Itoh-Gruppe
http://laser.mp.es.osaka-u.ac.jp/index_e.htm

Uni Konstanz
http://www.uni-konstanz.de/quantum-optics/quantech/fock.html

pro-physik.de v. 8.11.2002

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