Das Bild zeigt zwei Wellen, die sich kreisförmig ausbreiten und überlagern, Bildquelle: Michael Reck; Lizenz: gemäß den Bedingungen der Quelle

„Das Ganze ist viel mehr als die Summe der Teile"

Laut der Quantenmechanik können sich Teilchen auch über große Distanzen gegenseitig beeinflussen – bestimmte Eigenschaften sind dabei miteinander verknüpft und lassen sich nicht unabhängig voneinander beschreiben. Nicht nur Albert Einstein zweifelte an diesem als Verschränkung bezeichneten Phänomen. Erst in den 1960er-Jahren untersuchten Physiker verschränkte Zustände theoretisch genauer und beobachteten sie in den folgenden Jahren auch experimentell. Mittlerweile spielen diese speziellen Zustände eine entscheidende Rolle in quantenmechanischen Anwendungen, wie beispielsweise der Quantenkryptografie. Nun haben Forscher drei verschränkte Photonen erzeugt und deren Verschränkung in Experimenten nachgewiesen. Welt der Physik sprach mit Gregor Weihs von der Universität Innsbruck über die neuen Fortschritte.

Welt der Physik: Was versteht man unter einer quantenmechanischen Verschränkung?

Gregor Weihs: In der Quantenmechanik werden einzelne Zustände, beziehungsweise physikalische Eigenschaften von Quanten, mit einer sogenannten Wellenfunktion beschrieben. Quanten können zum Beispiel einzelne Atome, Elektronen in Atomen oder einzelne Lichtteilchen – also Photonen – sein. Mehrere Teilchen werden mit einer gemeinsamen Wellenfunktion beschrieben. Sind die Teilchen nicht verschränkt, lässt sich diese in die einzelnen Wellenfunktionen aufteilen. Verschränkte Teilchen können dagegen nur gemeinsam beschrieben werden. Die Teilchen existieren also in einem gemeinsamen Zustand, der auch über große Distanzen nicht verloren geht – das Ganze ist in diesem Fall viel mehr als die Summe der Teile.

Gregor Weihs von der Universität Innsbruck untersucht verschränkte Photonen.
Gregor Weihs von der Universität Innsbruck

Wie kann man sich das vorstellen?

Es können beispielsweise zwei Photonen in ihrer Schwingungsrichtung, der Polarisation, verschränkt sein. Die Polarisation eines Teilchens – horizontal oder vertikal – lässt sich mit einem sogenannten Polarisator untersuchen. Abhängig von der Polarisation des Lichts ist das Messgerät durchlässig für das Photon oder nicht. In Experimenten lässt sich für zwei verschränkte Teilchen folgendes beobachten: Durchlaufen beide Photonen auf unterschiedlichen Wegen jeweils einen Polarisator, werden entweder beide durchgelassen oder aber beide nicht durchgelassen. Auch wenn man die Ausrichtung der beiden Polarisatoren verändert, wobei sie weiterhin parallel orientiert sind, misst man immer dasselbe für beide Photonen – die Messergebnisse sind korreliert. In unserem Fall untersuchen wir allerdings nicht nur zwei Photonen, sondern drei – und die Lichtteilchen sind nicht in der Polarisation, sondern in der Zeit verschränkt. Anstatt der horizontalen und vertikalen Polarisation messen wir quasi, ob die Photonen zu spät oder zu früh ankommen. Man kann sich das wie Schüler einer Klasse vorstellen, die – ohne sich abzusprechen – alle zu früh oder zu spät ankommen.

Wie können diese verschränkten Zustände erzeugt werden?

Verschränkte Photonenpaare sind relativ leicht zu erzeugen: mithilfe von sogenannten nichtlinearen Effekten in Kristallen. Trifft ein Photon auf einen solchen Kristall, teilt es sich in zwei Photonen, deren Gesamtenergie der ursprünglichen entspricht. Durch diese Paarbildung entstehen aus einem Photon mit einer Wellenlänge im blauen Spektralbereich zwei Photonen im roten Spektralbereich. Umgekehrt können sich diese beiden Photonen zu einem einzelnen Photon – mit derselben Gesamtenergie – im Kristall kombinieren. Es ist allerdings unmöglich, beziehungsweise sehr unwahrscheinlich, dadurch drei Photonen zu erzeugen.

Und wie haben Sie das Problem gelöst?

Die Arbeitsgruppe um Thomas Jennewein von der University of Waterloo in Kanada hat folgenden Trick angewandt: Sie führt die Paarerzeugung zweimal hintereinander durch. Zuerst erzeugt man aus einem kurzwelligen Photon – mit einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometern – zwei Photonen im roten Lichtspektrum. Eines dieser Photonen wird noch einmal in einem Kristall in zwei Photonen im infraroten Wellenlängenbereich – mit etwa 1500 Nanometern – geteilt. Diese drei Photonen sind nun in der Zeit verschränkt. Um diese zeitliche Verschränkung zu messen, braucht man dann Interferometer.

Wie funktioniert ein solches Interferometer?

Mit einem Interferometer lässt sich die Überlagerung von Lichtwellen untersuchen. In den Experimenten verwenden wir Interferometer, in denen ein Photon zunächst aufgeteilt und auf zwei verschiedene Wege geleitet wird. Schließlich treffen die beiden Teilstrahlen wieder aufeinander. Abhängig vom Phasenunterschied überlagern sich die Lichtwellen nun konstruktiv oder destruktiv: Analog zu einer Wasserwelle verstärken sich zwei Wellenberge beziehungsweise Wellentäler – zwei synchron schwingende Wellen überlagern sich also konstruktiv. Trifft allerdings ein Wellenberg auf ein Wellental, löschen sich beide aus – man spricht von destruktiver Interferenz. Abhängig vom so entstehenden Interferenzmuster verlässt das Photon das Interferometer auf einem von zwei möglichen Ausgängen und kann dort detektiert werden.

Auf dem Bild ist ein Labortisch mit vielen kleinen Spiegeln und weiteren optischen Bauteilen zu sehen. Mit deren Hilfe werden die verschränkten Photonen durch die Interferometer gelenkt.
Experimenteller Aufbau

Wie untersuchen Sie im Interferometer drei Photonen gleichzeitig?

Jedes Photon geht durch sein eigenes Interferometer. In jedem Interferometer lässt sich die Weglänge – und damit der Phasenunterschied – in einem der Wege mithilfe einer Glasplatte verändern. Damit lässt sich beeinflussen, ob konstruktive oder destruktive Interferenz auftritt. Somit beeinflusst man auch, an welchem der beiden Ausgänge das Photon detektiert wird. Wir haben also dreimal die Möglichkeit, die Weglänge zu verändern.

Und woran erkennen Sie, dass die Photonen verschränkt sind?

Wir haben bei einigen Messungen nur die Weglänge in einem der drei Interferometer verändert und beobachtet, dass alle drei Photonen immer am gleichen Ausgang detektiert werden. Dies ist auf die Verschränkung in der Zeit der Teilchen zurückzuführen, da sich das Detektionsmuster verändert, egal ob man eine einzelne oder alle Weglängen verändert. Ein weiterer Nachweis gelingt durch das Beobachten der einzelnen Photonen: Wir haben die Interferenz eines der verschränkten Photonen in einem einzelnen Interferometer untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass das Detektionsmuster unabhängig von der veränderten Weglänge ist. Wie bereits erwähnt, hängt das Detektionsmuster aller drei Photonen aber von der Weglänge ab. Damit hat man drei Photonen ohne individuelle Eigenschaften erzeugt, die zusammen aber völlig synchron reagieren – sie sind verschränkt.

Worin liegt der Fortschritt des neuen Experiments?

Es wurden bereits mehrere in der Polarisation verschränkte Photonen beobachtet. Uns ist nun der erste experimentelle Nachweis von drei in der Zeit verschränkten Photonen gelungen. Und das ist relevant für quantenmechanische Anwendungen. Es gibt Ideen und teilweise auch schon kommerzielle Geräte, die Verschränkungen von einzelnen Quantenteilchen zur Kommunikation verwenden – zur sogenannten Quantenkryptografie. Dabei sind besonders verschränkte Photonen von Interesse, da sich Licht einfach durch Glasfasern transportieren lässt. Überträgt man eine Information beispielsweise über die Polarisation eines Teilchens, geht diese allerdings relativ schnell aufgrund von Wechselwirkungen mit der Glasfaser verloren. Deswegen ist ein Informationstransport über die zeitliche Verschränkung von besonderem Interesse, da diese physikalische Eigenschaft nicht mit der Glasfaser wechselwirkt.

Könnte man das auch mit anderen Teilchen machen?

Ja, das ist das Schöne an der Verschränkung in der Zeit, denn jedes Teilchen hat diese Eigenschaft. Die Eigenschaft der Polarisation besitzt hingegen nicht jedes quantenmechanische Teilchen. Man könnte sich vorstellen, auch andere in der Zeit verschränkte Teilchen zu beobachten. Allerdings ist es sehr schwierig, eine Quelle beispielsweise für drei verschränkte Elektronen zu entwickeln und diese Teilchen auch noch nachzuweisen.