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Wien (öaw) - QuantenphysikerInnen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis
von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine
weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die ForscherInnen
nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.
Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung
von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine mithilfe dieses quantenphysikalischen Phänomens verschlüsselte
Botschaft übermittelt, müsste ein Lauschangriff nicht nur den Übertragungskanal selber knacken,
sondern auch die Gesetze der Physik umgehen, die dafür sorgen, dass jeder Abhörversuch aufgrund der Verschränkung
der Teilchen bei Absender und Empfänger der Botschaft sofort festzustellen ist. Gerade in den letzten Jahren
konnte die Forschung im Bereich dieser sicheren Quantenkommunikation große Fortschritte erzielen. So gelang
es insbesondere, mithilfe der sogenannten mehrdimensionalen Verschränkung von Quantenteilchen deutlich größere
Mengen an Information zu kodieren als dies in der Vergangenheit möglich war.
Für eine Praxistauglichkeit dieser Technologie sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden.
Eine davon betrifft das Fehlen effizienter Mess-Methoden, die für den Nachweis einer mehrdimensionalen Verschränkung
zwischen Quantenteilchen erforderlich sind: Je mehr Informationen mit Quantenteilchen transportiert werden können,
desto mehr Messungen sind dadurch notwendig, was den praktischen Nutzen von hochdimensionaler Verschränkung
bisher stark einschränkt.
Zwei Fragen, viele Antworten
Einen Ausweg aus dieser Situation konnten nun ForscherInnen des Instituts für Quantenoptik- und Quanteninformation
(IQOQI) Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) rund um Marcus Huber aufzeigen. Das
interdisziplinäre Team aus ForscherInnen aus der Theoretischen Physik, Experimentalphysik, Mathematik sowie
der Computerwissenschaften entwickelte eine neue Methode für den effizienten Nachweis von hochdimensionaler
Quantenverschränkung und konnte diese erfolgreich in Experimenten bestätigen, wie das Team nun in einer
Publikation im Fachmagazin „Nature Physics“ schildert.
Zunächst näherten sich die ForscherInnen der Problematik aus mathematischer Perspektive an. Auf Basis
sogenannter paarweise komplementärer Messungen gelang es ihnen, die Anzahl der für einen Nachweis einer
hochdimensionalen Verschränkung erforderlichen Messungen drastisch zu reduzieren: Während jede einzelne
konventionelle Messung an einem Quantensystem oft nur ein Ja oder Nein ergibt, sind auch Messungen möglich,
die deutlich mehr Antworten liefern. Doch selbst mit solchen Messungen müsste man immer umso mehr Fragen stellen,
je mehr Dimensionen involviert sind. Die ÖAW-ForscherInnen identifizierten daher eine mathematische Eigenschaft
von zwei speziellen Messeinstellungen. Mit diesen war es ihnen dann möglich, eine Vielzahl an Antworten zu
erhalten, die wiederum das Vorliegen einer Verschränkung eindeutig bestimmen können. “Wir konnten mit
bloß zwei Fragen die Antwort auf alle möglichen Fragen über den Zustand von Quantenteilchen finden”,
verdeutlicht Gruppenleiter Marcus Huber.
Experiment bestätigt Konzept
Den experimentellen Nachweis dieses Konzepts trat das Team dann im Labor des IQOQI Wien der ÖAW an. Dafür
griff der Experimentalphysiker Mehul Malik auf Lichtteilchen zurück, die über ihren Drehimpuls hochdimensional
verschränkt waren. Diese Lichtteilchen oder Photonen wurden der neuartigen Messung unterzogen und die WissenschaftlerInnen
konnten mit den dabei erhaltenen Daten die hochdimensionale Verschränkung bestätigen. Der Clou: „Während
man für ein derartiges Experiment zum Nachweis der hochdimensionalen Verschränkung bisher hunderte bis
tausende Mess-Einstellungen brauchte, kamen wir mit gerade einmal zwei aus“, so ÖAW-Quantenphysikerin Jessica
Bavaresco, Erstautorin der Publikation in „Nature Physics“.
Der Vorteil der neuen Mess-Methode liegt nicht nur in der drastisch erhöhten Effizienz. Sie erweist sich zugleich
als robust gegenüber Störungen und als wesentlich sicherer als bisherige Methoden, die stets Annahmen
über das zu messende System treffen mussten. In Summe eröffnet das neue Mess-Konzept, so sind die ForscherInnen
überzeugt, eine Vielzahl von Anwendungen, die künftige Forschungen an hochdimensionalen Quantenleitungen
massiv vereinfachen können.
Publikation: "Measurements
in two bases are sufficient for certifying high-dimensional entanglement", Jessica Bavaresco, Natalia Herrera
Valencia, Claude Klöckl, Matej Pivoluska, Paul Erker, Nicolai Friis, Mehul Malik und Marcus Huber, Nature
Physics, 2018.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0203-z
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