Rechnen mit Lichtteilchen

Italienische Physiker addieren und subtrahieren mit Photonen

Florenz (Italien) - Die Reihenfolge spielt in der klassischen Welt keine Rolle. Es ist egal, ob ich zuerst etwas addiere und danach subtrahiere oder umgekehrt. Doch in der Welt der Quantenphysik darf nicht mehr so ohne weiteres vertauscht werden. Italinienische Physiker konnten in einem pfiffigen Experiment mit Lasern nun diese Quantenphänomene mit teilweise überraschenden "Rechenergebnisse" demonstrieren. Über ihre Resultate berichten sie in der Zeitschrift "Science".

"Die Endzustände hängen davon ab, in welcher Reihenfolge zwei Aktionen davor stattgefunden haben", erklären Valentina Parigi und ihre Kollegen von der Universität Florenz. Und genau diese Abhängigkeit von der Reihenfolge demonstrierten die Wissenschaftler mit einzelnen Lichtteilchen, den Photonen. Dazu ahmten Parigi und Kollegen mit einem komplexen Aufbau aus Lasern, Strahlteilern und Photodetektoren die Quantenoperatoren für Addition und Subtraktion nach. Am Ende eines jeden Rechenvorgangs wird der resultierende Zustand der Lichtteilchen analysiert.

In der Praxis sendeten die Forscher rote Laserpulse aus. Aufgespalten in zwei Strahlen kann die Reihenfolge der Addition und der Subtraktion je eines Lichtteilchens verändert werden. Die experimentellen Ergebnisse nach zahlreichen Messungen geben die Forscher mit den Wahrscheinlichtkeitsverteilungen für eine Anzahl von Photonen wieder. So unterschieden sich – wie quantenphysikalisch erwartet – die Ergebnisse nach der Addition gefolgt von der Subtraktion deutlich von der umgekehrten Reihenfolge. Nach einer einfachen Subtraktion eines Photons ergab die Analyse des Quantenzustands sogar eine im Mittel größere Photonendichte als vorher – ein Verhalten, dass völlig dem klassischen Verständnis widerspricht.

Diese Experimente sind aber nicht nur eindrucksvolle Bestätigungen von quantenphysikalischen Phänomenen. Sie könnten schon bald eine große Relevanz für Quanteninformationssysteme haben. Denn viele Ansätze für Quantencomputer oder Quantenverschlüsselungen basieren auf Prozessen mit wenigen, wenn nicht sogar einzelnen Photonen. Parigi zeigte nun, dass bei der Manipulation dieser Photonen die quantenphysikalischen Regeln berücksichtigt werden müssen und man sich nicht auf den klassischen, "gesunden" Menschenverstands verlassen darf.