Vielteilchenverschränkung in quantenoptischen Systemen

Die Quantenmechanik beschert Einsichten, die nur schwer mit unserer Intuition zu vereinbaren sind. Dazu gehört das Verhalten so genannter verschränkter Teilchen, das schon Einstein als verblüffendes Phänomen beschrieb. Ohne in irgendeiner Weise miteinander verbunden zu sein, verhalten sich verschränkte Teilchen als einheitliches System: sie zeigen selbst in großer Entfernung voneinander Abhängigkeiten, die in unserer gewohnten Welt nicht möglich wären. Die Verschränkung hat über die immense Bedeutung für die Interpretation der Quantenmechanik hinaus zahlreiche wichtige Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformation. Besonders bekannt geworden ist, auch dank ihres mittlerweile hohen Entwicklungsstandes, die Quantenkommunikation. Bei der Quantenteleportation beispielsweise, mittels derer der exakte Quantenzustand eines physikalischen Systems an einen weit entfernten Ort übertragen werden kann, ist es weder nötig, den zu übertragenden Zustand zu kennen noch das System zu transferieren.

Bei Systemen von mehr als zwei Teilchen vervielfältigen sich die Anwendungen der Verschränkung: Es ergeben sich neue Arten der Quantenkommunikation und die Aussicht auf Quantenrechner. Verschränkung ist außerdem entscheidend für das Verständnis quantenmechanischer Vielteilchensysteme, insbesondere für Tieftemperatureffekte wie Supraleitung, Quanten-Hall-Effekt und Quantenphasenübergänge. Methoden zur effizienten numerischen oder analytischen Beschreibung solcher Systeme müssen Verschränkung geeignet berücksichtigen.

Das Phänomen Vielteilchenverschränkung ist weit komplexer als im Fall zweier Teilchen. Das MAP-Team konzentriert sich auf zwei Familien von Zuständen, die mathematische Einfachheit mit physikalischer Relevanz verbinden: Gaußsche Zustände und Matrixproduktzustände. Während erstere vor allem für bestimmte durch kontinuierliche Variablen beschriebene Quantensysteme relevant sind, dienen letztere dazu, diskrete Systeme mit lokalen Wechselwirkungen zu beschreiben.
Das Team verspricht sich neue Erkenntnisse über beide Gruppen, indem sie sie zueinander in Beziehung setzen. Außerdem werden sie untersuchen, welche Mechanismen im Experiment zu Abweichungen von diesen Zuständen führen und in wieweit diese Zustände in der Quanteninformationsverarbeitung nützlich sind.

Experimentell nutzen die MAP-Physiker zur Realisierung von Vielteilchenverschränkung Photonen als physikalisches System. Qubits, welche das quantenmechanische Pendant zu den im Alltag bekannten klassischen Bits darstellen, sind bereits in der Polarisation von Photonen kodiert. Ein nichtlinearer Prozess, die so genannte spontane parametrische Fluoreszenz, erzeugt polarisationsverschränkte Photonen in einem Kristall, der mit brillanten Laserpulsen bestrahlt wird. Mit Hilfe von zusätzlichen linearen optischen Elementen (z. B. polarisationsabhängige Strahlteiler, doppelbrechende Elemente) können verschiedenste Typen vielteilchenverschränkter Zustände beobachtet und für unterschiedliche Quantenkommunikationsaufgaben genutzt werden. Bisher benötigten die Wissenschaftler für jeden einzelnen Zustand einen speziellen Versuchsaufbau, jetzt haben sie dafür ein flexibleres Schema entwickelt, mit dem sie eine ganze Familie unterschiedlicher vierteilchenverschränkter Zustände beobachten können. Um verschränkte Zustände von höherer Photonenzahl untersuchen zu können erarbeiten sie Methoden, um die Intensität der Laserpulse zu erhöhen.

Polarisation ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit Quanteninformation mittels Photonen zu kodieren. Mit Hilfe von asymmetrischen Mach-Zehnder Interferometern kann auch Energie-Zeit-Verschränkung beobachtet werden. Um die Verschränkung so genannter Qudits untersuchen zu können, schalten die Forscher viele Interferometer hintereinander. Qudits sind Zustände, deren klassisches Pendant nicht nur ein Bit (0 und 1) sondern ein "Dit" (0,1,...,d-1) kodiert. Sie tragen deshalb wesentlich mehr Informationen und sind in der Quantenkommunikation weniger störanfällig gegen Rauschen. Die MAP-Physiker konnten bereits verschränkte Qubits demonstrieren und erweitern nun das Schema hin zu Experimenten mit verschränkten Qudits.  Mit der theoretischen wie auch experimentellen Verbindung von Qubits zu Qudits und weiter bis zu Zuständen, die durch kontinuierliche Variablen beschriebenen werden, wird sich letztlich ein breites Spektrum an verschiedenartigen Vielteilchen-Quantensystemen eröffnen.