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Innsbruck (universität) - Interferenz entsteht, wenn sich Wellen überlagern und dabei entweder verstärken
oder abschwächen. Physiker aus Österreich und Kanada konnten nun im Labor eine echte Dreiphotoneninterferenz
realisieren. In diesem Zustand sind drei Lichtteilchen miteinander verschränkt, ohne dass sie aber paarweise
interferieren. Anwendung finden könnte dieses Verhalten zum Beispiel in der Quantenkryptographie.
In der Kryptographie werden „gemeinsame Geheimnisse“ (shared secrets) zum Beispiel dazu verwendet, um die Kommunikation
zwischen zwei oder mehreren Personen zu schützen. Zugang zur Information haben die Teilnehmer nur gemeinsam,
in dem jeder Beteiligte seinen Schlüssel zur Verfügung stellt. Vergleichbar ist dies mit einem Tresor,
der nur geöffnet werden kann, wenn das Schloss mit mehreren Schlüsseln gemeinsam betätigt wird.
Einen vergleichbaren Quantenschlüssel haben nun Forscher um Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik
der Universität Innsbruck gemeinsam mit einem Team um den Österreicher Thomas Jennewein an der University
of Waterloo in Kanada erzeugt.
Österreichisch-kanadische Kooperation
Um das Experiment zu realisieren, brachten die Innsbrucker Forscher ein von ihnen gebautes Interferometer - ein
Instrument zur Messung von sich überlagernden Lichtwellen - nach Kanada. Dort hat das Team um Thomas Jennewein
eine Photonenquelle realisiert, die drei Lichtteilchen gleichzeitig aussendet. Es teilt ein blaues Photon in drei
langwelligere auf. Für die Messung solcher infraroten Lichtteilchen benötigten die Forscher sehr empfindliche
Detektoren. „Früher war es sehr schwierig, langwellige Photonen zu messen“, erzählt Experimentalphysiker
Gregor Weihs. „Seit kurzem gibt es aber sehr effiziente Detektoren basierend auf supraleitenden Drähten, ohne
die unser Experiment gar nicht möglich gewesen wäre.“ Das Streben nach Erkenntnisgewinn gab hier den
Anstoß für eine technologische Entwicklung, die auch für die Anwendung interessant ist. „Solche
empfindlichen Detektoren sind etwa für die Quantenkryptographie über lange Strecken unentbehrlich“, sagt
Weihs.
Dreiteilchenverschränkung
Mit der Photonenquelle in Kanada und dem Interferometer aus Tirol war es den Wissenschaftlern möglich,
eine echte Dreiphotoneninterferenz zu realisieren. „Das Spannende daran ist, dass die drei Photonen nur gemeinsam
interferieren, nicht aber einzeln oder paarweise“, erläutert Thomas Kauten, der das von ihm in Innsbruck konzipierte
Interferometer nach Kanada begleitet hat und dort an den Messungen beteiligt war. Diese erfolgreiche Verschränkung
von drei Lichtteilchen öffnet den Blick auf futuristische Anwendungen. So könnten die Photonendrillinge
Träger eines „shared secret“ für die Quantenkryptographie sein. „Das Verfahren könnte aber auch
dazu genutzt werden, ganz grundlegende Annahmen der Quantenmechanik zu überprüfen“, sagt Gregor Weihs.
Neue Photonenquelle entwickelt
Die Innsbrucker Physiker haben inzwischen eine neue Photonenquelle gebaut - ebenfalls gemeinsam mit kanadischen
Wissenschaftlern, dieses Mal am National Research Council Canada in Ottawa. Die neue Quelle besteht aus einem Nanodraht,
in den zwei, nahe beieinanderliegende Quantenpunkte eingebaut sind. „Einzelne Quantenpunkte funktionieren wie künstliche
Atome. Was wir hier gebaut haben, ist eigentlich ein künstliches Molekül“, zeigt sich Gregor Weihs begeistert.
„Mit diesem ist es möglich, beinahe gleichzeitig drei Photonen unterschiedlicher Farbe zu erzeugen.“Da dieses
Verfahren deutlich effizienter ist, wollen die Wissenschaftler um Gregor Weihs nun weitere Verschränkungsexperimente
mit der neuen Photonenquelle unternehmen.
Finanziell unterstützt wurden die Arbeiten unter anderem vom Wissenschaftsfonds FWF, vom Canadian Institute
for Advanced Research (CIFAR) und vom Europäischen Forschungsrat ERC.
Publikationen: Observation of Genuine
Three-Photon Interference. Sascha Agne, Thomas Kauten, Jeongwan Jin, Evan Meyer-Scott, Jeff Z. Salvail, Deny R.
Hamel, Kevin J. Resch, Gregor Weihs, and Thomas Jennewein. Phys. Rev. Lett. 118, 153602 (2017)
http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.153602
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