Spukhafte Fernwirkung in 3D

Spukhafte Fernwirkung nannte Albert Einstein das quantenmechanische Phänomen, bei dem zwei Lichtteilchen auf unerklärliche Weise miteinander verbunden sind. Verschränkung nennt man dieses Phänomen. Die Messung eines Teilchens legt im gleichen Augenblick den Zustand des anderen Teilchens fest, selbst dann, wenn es Lichtjahre von seinem Partner entfernt ist.

Dieses Phänomen können Physiker tatsächlich im Labor nachweisen. Bislang konnte man mehrere Teilchen jedoch nur zweidimensional verschränken. Prof. Anton Zeilinger und einem Team von Physikern des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Wien und der Universität Autonoma de Barcelona ist es gelungen, drei Lichtteilchen in mehreren Dimensionen zu verschränken. Vorstellen kann man sich das Phänomen anhand von Eistänzerinnen.

Zwei verschränkte Eistänzerinnen drehen sich immer in die gleiche Richtung, jedoch ist vor einer Beobachtung noch nicht festgelegt, ob dies mit oder gegen den Uhrzeigersinn ist. Erst wenn die Drehrichtung einer Tänzerin beobachtet wird, ist die Richtung der Zweiten genau gleich festgelegt. Völlig egal ist es dabei ob die eine die Pirouette etwa in Amerika und die andere in Europa dreht. „Die verschränkten Photonen in unserem Experiment kann man sich veranschaulichen durch drei verschränkte Quanten-Eistänzerinnen, die ein perfekt synchron choreographiertes Quanten-Ballett tanzen", erklärt Mehul Malik, Erstautor der Studie, die in Nature Photonics erschienen ist. „Ihre Choreographie beschränkt sich nicht nur auf die Pirouetten, sondern gilt auch für alle zusätzlich Bewegungen“. Physiker haben diese Art von asymmetrischer Verschränkung bereits theoretisch vorhergesagt. „Wir zeigen nun zum ersten Mal, wie man solche Arten von Verschränkung im Labor erzeugt“, erläutert Malik.

Die Forscher verwendeten in ihrem Experiment zwei Kristalle, die blaues Licht aufnehmen und für jedes blaue Lichtteilchen anschließend zwei rote, miteinander verschränkte Lichtteilchen aussendeten. So erhielten sie für zwei blaue Lichtteilchen zwei verschränkte rote Photonenpaare. Anschließend verschränkten die Forscher beide Photonenpaare miteinander, indem sie die Information über ihren Ursprung auslöschten. Eines der vier Photonen wurde dann für Messungen verwendet während die anderen unangetastet dreidimensional verschränkt blieben.

Photonen sind Träger von Informationen in der Datenspeicherungs- und Informationstechnologie. In der Regel haben sie ein Bit als kleinste Informationseinheit. Ein Photon mit Verschränkungs-Eigenschaften kann jedoch mehr als ein Bit an Information übertragen. Künftig könnte man dreidimensional verschränkte Teilchen etwa in Quantencomputern oder der Quantenkryptografie, also der Verschlüsselung von Informationen mit Quantenteilchen, einsetzen.

„Unser Experiment macht es möglich, ein künftiges Quanteninternet zwischen mehr als zwei Teilnehmern zu initiieren, indem man mit mehr als einem Bit an Information pro Photon kommunizieren kann“, erklärt Anton Zeilinger. Neu bei dieser Methode ist, dass mehrere Teilnehmer Informationen auf verschiedenen Ebenen miteinander abhörsicher teilen können.