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Destillierte Verschränkung

Von Rainer Scharf

Für die Quantenkryptographie und die Quantenteleportation benötigt man verschränkte Teilchen in großer Zahl. Doch störende Umwelteinflüsse bewirken, dass die Teilchen diese ungewöhnliche quantenmechanische Eigenschaft zumeist sehr schnell verlieren. Japanischen Forschern ist es jetzt gelungen, aus zwei scheinbar unverschränkten Photonenpaaren zwei verschränkte Photonen zu destillieren.

Takashi Yamamoto und seine Kollegen von der School of Advanced Engineering in Hayama haben zunächst mit Bariumboratkristallen paarweise verschränkte Photonen erzeugt. Solch ein Kristall wandelt ein Photon in zwei Photonen der doppelten Wellenlänge um. Diese beiden Photonen erweisen sich bei einer Polarisationsmessung stets als senkrecht zueinander polarisiert - unabhängig davon in welche Richtung ihre Polarisation gemessen wird. Um die verschränkten Photonen nutzen zu können, wurden sie zwischen zwei Parteien aufgeteilt. Nachdem der Sender - üblicherweise "Bob" genannt - mit den beiden Kristallen zwei verschränkte Photonenpaare erzeugt hatte, behielt er von jedem Paar ein Photon und schickte die beiden anderen Photonen auf die Reise zu "Alice" - dem Empfänger.

Unterwegs mussten die Photonen ein Hindernis passieren, das ihre Verschränkung erheblich störte. Sie flogen durch einen Flüssigkristall, der vertikal polarisierte Photonen gegenüber horizontal polarisierten verzögerte. Dabei entstand ein Phasenunterschied zwischen den beiden Polarisationszuständen, den die Forscher durch Anlegen einer wechselnden elektrischen Spannung zwischen verschiedenen Werten hin und her springen ließen. Wenn Alice und Bob anschließend die Polarisationen der Photonen eines Paares verglichen, stellten sie fest, dass die Verschränkung vollständig verloren gegangen war.

Allerdings waren beide Photonenpaare in gleicher Weise gestört worden. Deshalb enthielten sie, wenn auch in verschlüsselter Form, noch die ursprüngliche Verschränkung. Um die Verschränkung wiederzugewinnen, brachte Alice ihre beiden Photonen zusammen. Sie ließ sie durch einen Strahlteiler gehen und dabei ihre Bahnen kreuzen. Dann untersuchte sie, ob eines der beiden Photonen einen bestimmten Polarisationszustand hatte, während Bob dasselbe mit einem seiner beiden Photonen tat. Die Messergebnisse teilten Alice und Bob einander mit. Hatten die beiden untersuchten Photonen die gewünschte Polarisation, so wussten Alice und Bob, dass die beiden anderen Photonen der Theorie zufolge verschränkte Polarisationen haben mussten. Die Experimente der japanischen Forscher bestätigen dies eindrucksvoll.

Auf diese Weise wird es möglich, weit voneinander entfernten Anwendern zum Beispiel über Glasfasern verschränkte Photonen zur Verfügung zu stellen. Dazu würde Alice eine große Zahl von Photonen erhalten, die alle in derselben Weise von der Glasfaser gestört werden. Anschließend könnten dann Alice und Bob aus ihren Photonen verschränkte Paare herausdestillieren und weiter verwenden. 

Weitere Infos

Takashi Yamamoto et al., Experimental extraction of an entangled photon pair from two identically decohered pairs, Nature 421, 343 (2003).
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature01358

Takashi Yamamoto et al., Concentration and purification scheme for two partially entangled photon pairs, Phys. Rev. A 64, 012304 (2001).
http://link.aps.org/abstract/PRA/v64/e012304
http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101042

Kontakt
N. Imoto, E-Mail: imoto@soken.ac.jp
http://www.soken.ac.jp/quantum/imoto/index.html

Hintergrund
Centre for Quantum Computation, Oxford/Cambridge:
http://www.qubit.org/

Quantum Experiments and the Foundations of Physics, Wien:
http://www.quantum.univie.ac.at/research/

pro-physik.de v. 23.1.2003

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