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Verschränkung zwischen Lichtteilchen aus zwei Quantenpunkten teleportiert
Verbindung ohne Begegnung: Erstmals wurden Lichtteilchen aus zwei getrennten Halbleiter-Quantenpunkten miteinander verschränkt, obwohl sie nie direkt wechselwirkten. Die Messungen erreichten eine Zustandsübereinstimmung von bis zu 0,71. Damit ist ein wichtiger Schritt zu Quantenrepeatern gelungen, die einzelne Quantenverbindungen zu einem größeren Netzwerk verknüpfen sollen.
Paderborn (Deutschland). Für ein Quanteninternet reicht es nicht, verschränkte Lichtteilchen nur an einem Ort zu erzeugen. Quantenverbindungen müssen vielmehr zwischen weit entfernten Stationen aufgebaut werden, obwohl Photonen auf langen Übertragungswegen zunehmend verloren gehen.
Quantenrepeater sollen dieses Problem lösen, indem sie kürzere Verbindungsabschnitte zu einer längeren Quantenstrecke verknüpfen. Dazu müssen zwei zunächst voneinander unabhängige Photonenpaare ihre Verschränkung sozusagen weiterreichen, ohne dass die beiden verbleibenden Lichtteilchen direkt aufeinandertreffen.
Forscher der Sapienza Università di Roma um Giuseppe Ronco haben ein solches Entanglement Swapping mit Photonen aus zwei separaten Galliumarsenid-Quantenpunkten demonstriert. Jeder Quantenpunkt erzeugt zunächst ein verschränktes Lichtteilchenpaar, das unabhängig vom zweiten Paar entsteht.
Anschließend treffen jeweils ein Photon aus jedem Paar an einem Strahlteiler aufeinander und werden gemeinsam einer Bell-Zustandsmessung unterzogen. Bei einem geeigneten Messergebnis sind die zwei nicht gemessenen Photonen miteinander verschränkt, obwohl sie einander nie begegnet sind.
„Bei diesem Verfahren wird die Verschränkung zwischen zwei ursprünglich getrennten Photonenpaaren neu verknüpft“, erklärt Prof. Dr. Klaus Jöns von der Universität Paderborn (UPB).
Die Schwierigkeit: Gewöhnlich strahlen unterschiedliche Quantenpunkte Photonen mit leicht verschiedenen Energien und Eigenschaften ab. Für die gemeinsame Messung müssen die beiden eintreffenden Lichtteilchen jedoch möglichst ununterscheidbar sein, damit sie quantenmechanisch miteinander interferieren.
Deshalb wurden die Galliumarsenid-Quantenpunkte präzise in kreisförmige Bragg-Resonatoren integriert, die das ausgesandte Licht effizient sammeln und seinen zeitlichen Verlauf beeinflussen. Zusätzlich veränderten piezoelektrische Bauteile die mechanische Spannung der Halbleiterstruktur und stimmten die Photonenenergien aufeinander ab.
„Heute können wir ihre Eigenschaften so präzise kontrollieren, dass Photonen aus zwei unterschiedlichen Quantenpunkten nahezu ununterscheidbar werden. Das ist essenziell, damit sie miteinander interferieren und wir Verschränkung übertragen können“, sagt Klaus Jöns.
Die Messungen ergaben eine sogenannte Fidelity von bis zu 0,71 ± 0,02, also eine Übereinstimmung des gemessenen Zustands mit einem ideal verschränkten Zustand. Der Wert liegt mehr als zehn statistische Standardabweichungen über der Schwelle von 0,5, die für unverschränkte Zustände nicht überschritten werden kann.