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Single-Photon Non-Locality

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Quantennetzwerke sind der Schlüssel für die zukünftige Kommunikation

Könnte die Quantenmechanik der Schlüssel für die Entwicklung der superschnellen Kommunikation der nächsten Generation sein? Ein Marie-Curie-finanziertes Projekt unternahm wichtige Schritte, um dieser Frage nachzugehen.

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Dem EU-finanzierten SIPHON-Projekt gelang es einzelne Photonen auf Nachfrage zu erzeugen und zu zeigen, dass diese Teilchen natürliche Atome bei Experimenten im Zusammenhang mit einem bestimmten Quantenphänomen übertreffen können. Diese Errungenschaft könnte erhebliche Auswirkungen auf die bahnbrechende Welt der Quantenkommunikation haben. „Die heutige Gesellschaft basiert auf dem schnellen Zugang zu Informationen“, so SIPHON-Projektkoordinator Klaus Jöns von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Schweden. „Einen Informationsvorsprung zu haben ist vor allem in den Bereichen Wirtschaft, Finanzen, Politik und Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Der Großteil unseres Informationsaustausches erfolgt heute natürlich über das Internet, aber auch dieses Medium hat Kapazitätsgrenzen. Darüber hinaus ist die Datenübertragung nicht sicher.“ Zukünftige Netzwerke Jöns EU-finanziertes Projekt erschloss die faszinierende und geheimnisvolle Welt der Quantenmechanik, um die Durchführbarkeit eines zukünftigen Netzwerks zu prüfen, das imstande ist, selbst große Datenmengen zu bewältigen. „Die Idee besteht darin, auf der Quantenebene Informationen auf kleinste Energiequanten zu kodieren, d. h. auf einzelne Lichtteilchen, die sogenannten Photonen“, erklärt er. „Dies würde nicht nur die Menge an Energie reduzieren, die benötigt wird, um Informationen zu übertragen, sondern auch eine absolut sichere Kommunikation aufgrund der Prinzipien der Quantenmechanik ermöglichen.“ Das Projekt konzentrierte sich speziell auf ein Quantenphänomen, das als Nichtlokalität bekannt ist. Dieser quantenmechanische Effekt ist bereits weitgehend bekannt und wurde in mehreren Experimenten untersucht, bei denen meist zwei verschränkte Photonen zum Einsatz kamen. Eine Projektionsmessung an einem der Photonen zieht unmittelbar einen Kollaps der Wellenfunktion des anderen verschränkten Photons an einem entfernten Ort nach sich. Die Nichtlokalität eines einzelnen Teilchens, insbesondere eines Einzelphotons, wirft jedoch eine grundlegende Frage auf: Kann ein Einzelphoton gleichzeitig an verschiedenen Orten sein? „Die von Albert Einstein als ‚gruselige Fernwirkung‘ bezeichnete Nichtlokalität, tritt auf, wenn räumlich getrennte Teilchen unmittelbar von einer Aktion beeinflusst werden, die nur in einem Teil des Systems bzw. nur an einem Ort stattfindet“, erklärt Jöns. „Durch dieses Projekt wollten wir herausfinden, ob moderne nanoskalige Halbleiter-Quantenlichtquellen dazu in der Lage sind, die Nichtlokalität bei Photonen nachzuweisen.“ Künstliche Atome Jöns und sein Team verwendeten bei ihren Experimenten Nanogeräte, die auch als künstliche Atome bezeichnet werden, und zeigten, dass es sich dabei um ausgezeichnete Einzelphotonenquellen handelt. Diese künstlichen Atome übertrafen in vielen Fällen selbst natürliche Atome. „Die nanoskaligen Halbleiter-Quantenlichtquellen wiesen die geringsten unerwünschten Mehrphotonenemissionen auf“, so Jöns. „Sie können auch dazu verwendet werden, um deterministische verschränkte Photonenpaare zu erzeugen.“ Diese neue Methode, Paare von verschränkten Photonen auf Nachfrage zu erzeugen, könnte dabei helfen, die Forschung zu beschleunigen. Im Rahmen des Projekts wurde zudem festgestellt, dass diese Quantenemitter „blinken“, was bedeutet, dass sie manchmal kein Licht emittieren. Dieser Umstand sollte, so Jöns, bei der Entwicklung zukünftiger Anwendungen in der Quantenkommunikation berücksichtigt werden. Auch wenn einzelne und verschränkte Photonen wichtige Bausteine für den Aufbau von Quantennetzwerken darstellen, so betont Jöns dennoch, dass wesentlich mehr Grundlagenforschung notwendig ist, um bessere Quantenlichtquellen zu identifizieren, die selbst den höchsten Anforderungen gewachsen sind. „Das Marie-Curie-Projekt hat es mir ermöglicht, ein eigenes Netzwerk von Mitarbeitern aufzubauen“, erklärt er. „Dies war ein wichtiger Schritt, den ich gehen musste, um unabhängiger zu werden und mein eigenes Forschungsportfolio aufzubauen. Das Projekt verschaffte mir zudem Zugang zu einem einzigartigen Forschungsumfeld mit exzellenter Betreuung und Beratung, in meinem Fall durch Prof. Val Zwiller von der KTH Stockholm.

Schlüsselbegriffe

SIPHON, Quantum, Marie Curie, Netzwerke, Kommunikation, Photonen, Atome

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