Die wiederbelebte Photonenverschränkung könnte die Quantenkommunikation und -bildgebung verbessern   

Forscher in Indien haben gezeigt, dass sich die Photonenverschränkung in einer bestimmten kontinuierlichen Variablenbasis wiederbelebt, wenn sich die Photonen von ihrer Quelle weg ausbreiten. Die Entdeckung könnte sich als nützlich für die sichere Übertragung von Quanteninformationen über große Entfernungen und für die Quantenbildgebung in turbulenten Medien erweisen.

Die Quantenverschränkung zwischen Photonen wird von Physikern intensiv erforscht, oft mit dem Ziel, neue Quantentechnologien für Computer, Kommunikation, Sensorik und Bildgebung zu entwickeln. Einige potenzielle Anwendungen erfordern das verlustfreie Senden verschränkter Photonen über große Entfernungen oder durch turbulente Umgebungen. Allerdings ist es derzeit sehr schwierig, bestimmte Arten der Verschränkung unter diesen Umständen zu erhalten – und der Erfolg kann von vielen Faktoren abhängen, unter anderem davon, wie die Quanteninformation in den Photonen kodiert ist.

Anand Jha und Kollegen an der Labor für Quantenoptik und Verschränkung am Indian Institute of Technology Kanpur haben eine mögliche Lösung bereitgestellt, indem sie die Winkelpositionen von Photonen zur Codierung von Informationen verwenden. Sie beobachteten, dass die Verschränkung mit der Ausbreitung der Photonen zu verschwinden scheint, dann aber seltsamerweise wieder auftaucht. Sie zeigten auch, dass die Wiederbelebung der Verschränkung auch dann erfolgt, wenn die Photonen durch turbulente Luft wandern, was normalerweise die Verschränkung zerstören würde. Sie beschreiben ihre Forschung in Wissenschaft Fortschritte.

Photonenverschränkung

Photonen haben viele verschiedene Freiheitsgrade, die zur Codierung von Quanteninformationen genutzt werden können. Die Wahl hängt von der Art der zu codierenden Informationen ab. Für Qubits können diskrete Eigenschaften wie die Polarisation oder der Bahndrehimpuls eines Photons genutzt werden. Aber manchmal, insbesondere für Sensor- und Bildgebungszwecke, ist es besser, Quanteninformationen kontinuierlicher zu kodieren. In solchen Anwendungen ist die am besten erforschte verschränkte Eigenschaft – oder „Basis“ – die Position eines Photons, die durch seine kartesischen Koordinaten gegeben ist.

Das Phänomen der Quantenverschränkung verleiht Teilchen eine engere Beziehung, als es die klassische Physik zulässt, und ist unabhängig davon, welche spezielle Basis verwendet wird, um Quanteninformationen zu kodieren. Die Art und Weise, wie Verschränkung in einem Experiment verwendet oder gemessen wird, ist jedoch möglicherweise nicht basisunabhängig. Dies gilt für einen Verschränkungs-„Zeugen“, der eine mathematische Größe ist, die bestimmt, ob ein System verschränkt ist. Zeugen sind für kontinuierliche Basen basisabhängig, und diese Abhängigkeit bedeutet, dass einige Arten kontinuierlicher Verschränkung nützlicher sein können als andere.

Für die Positions-Impuls-Basis stirbt die Verschränkung, wie durch den Zeugen gesehen, sehr schnell ab, wenn sich die Photonen von ihrer Quelle weg ausbreiten. Um dies zu umgehen, stellen sich Wissenschaftler normalerweise die Quelle selbst vor, um die Verschränkung zwischen Photonen zu verwenden. Jegliche Turbulenzen auf dem Pfad zerstören auch schnell die Verschränkung, was komplexe Lösungen wie adaptive Optiken erfordert, um sie wiederzubeleben. Diese zusätzlichen Korrekturschritte begrenzen die Nützlichkeit dieser verschränkten Photonen.

Diese neueste Forschung von Jha und Kollegen untersucht, wie die Verschränkung erhalten werden kann, indem eine eng verwandte alternative Basis verwendet wird – die Winkelposition eines Photons.

Verstrickung erzeugen, verlieren und wiederbeleben

In ihrem Experiment erzeugten die Forscher verschränkte Photonen, indem sie Licht von einem Hochleistungs-Pumplaser in einen nichtlinearen Kristall schickten. Unter Bedingungen, bei denen die Energien und Impulse der Photonen erhalten bleiben, erzeugt ein Pumpphoton zwei verschränkte Photonen in einem Prozess, der als spontane parametrische Abwärtskonvertierung (SPDC) bezeichnet wird. Die beiden Photonen sind in all ihren Eigenschaften verschränkt. Wird beispielsweise an einem Ort ein Photon detektiert, wird automatisch die Position des anderen verschränkten Photons bestimmt. Der Zusammenhang besteht auch für andere Größen wie Impuls, Drehlage und Bahndrehimpuls.

Wie aus dem Zeugen ohne Korrekturmaßnahmen hervorgeht, beobachteten die Forscher, dass die Positionsverschränkung zwischen Photonen nach etwa 4 cm Ausbreitung verschwindet. Andererseits passiert etwas Interessantes bei der Winkelpositionsverschränkung. Sie verschwindet nach etwa 5 cm Ausbreitung, aber nachdem die Photonen weitere 20 cm zurückgelegt haben, tritt erneut Verschränkung auf (siehe Abbildung). Ihre experimentellen Ergebnisse untermauerten die Forscher qualitativ mit einem numerischen Modell.

Die Destillationsmethode verstärkt die Quantenverschränkung in einem einzelnen Photonenpaar

Der gleiche Trend wurde beobachtet, als das Team eine turbulente Umgebung auf dem Weg der verschränkten Photonen erzeugte. Dies wurde unter Verwendung eines Gebläseheizers durchgeführt, um Luft aufzuwirbeln und ihren Brechungsindex zu ändern. In diesem Fall wurde die Verschränkung wiederbelebt, nachdem sich das Licht über eine längere Distanz von etwa 45 cm ausgebreitet hatte.

Es ist noch nicht vollständig bekannt, was dazu führt, dass die Verschränkung in der Winkelpositionsbasis wieder auftaucht. Die Basis ist besonders, weil sie sich nach einem vollen Kreis umwickelt. Das ist laut Jha einer seiner Unterscheidungsmerkmale.

Auch wenn die Studie Robustheit über Entfernungen von weniger als einem Meter zeigt, behaupten Jha und Kollegen, dass die Wiederbelebung auch über Kilometerentfernungen möglich ist. Damit könnte es möglich werden, Quanteninformationen durch atmosphärische Turbulenzen zu übertragen, ohne die Verschränkung zu zerstören. Die Robustheit durch Turbulenz könnte auch die Quantenbildgebung von Objekten in unscharfen biochemischen Umgebungen mit minimaler Invasion oder Zerstörung ermöglichen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/