Towards quantum teleportation with remote quantum dots

Christian Schimpf

angefertigt am Institut für Halbleiter- und Festkörperhysik der JKU

Dass seit dem letzten Jahrhundert Glasfaserkabel mit ihren hohen Übertragungsraten und geringen Verlusten über weite Distanzen stetig an Wichtigkeit in der Kommunikationstechnologie gewinnen, ist bekannt. Licht hat uns aber auch die Tür zu einer viel größeren Revolution geöffnet: zur Informationsübertragung mittels Quanten-Technologie. Klassische Bits sind “True=1” oder “False=0”, die Photonen hingegen zeigen Eigenschaften, die gleichermaßen “wahr und falsch” sein können: man spricht hier von “flying qubits” (Quanten Bits).

Unser Schulwissen über solche “Lichtteilchen” basiert meist auf halb-klassischen Modellen; selbst Laserlicht ist auf diese Art recht gut beschreibbar. Wirklich “schräg” wird es erst in der Welt der sogenannten Einzel-Photonen und Einzel-Photonen-Paare. Hier kommen die uns ungewohnten Quantenphänomene voll zu tragen. Jedes Photon hat eine Polaristion, die beispielsweise horizontal(“1”) oder vertikal (“0”), oder “alles-dazwischen-auch” sein kann. Der vielfach diskutierte Quantencomputer und die Quantenkryptographie bauen auf diesen Eigenschaften auf.

Ein ebenso heißes Thema sind perfekt abhörsichere Kommunikations-Netzwerke. Da selbst der beste Lichtwellenleiter Verluste aufweist, müssten die Signale etwa alle 200km verstärkt werden: geschieht dies auf klassisch erprobte Art, geht die Abhörsicherheit verloren. Hier kommt die Telportation ins Spiel. Sie nutzt folgende beiden quantenmechanischen Besonderheiten:

1. Verschränkung (“entanglement”): die jeweilige Polaristion der Photonen eines geeignet erzeugten Paares sind korreliert: vor einer Messung unbestimmt, legt die Messung an 1 Partner instantan diejenige des andern, möglicherweise weit entfernten Partners fest. Einstein nannte dies “spooky action at a distance”.
2. Hong-Ou-Mandel effect: treffen 2 Photonen mit gleichen Eigenschaften auf einen Strahlteiler, verlassen sie diesen paarweise beim gleichen Ausgang (welchen, ist gleich wahrscheinlich).

1. Ordered List ItemOrdered List Item

1. about entangled polarisation states of photon pairs. Due to their special creation mecha- nism in the semiconductor quantum dots we use, the polarisations of both photons possess certain mutual correlations: As long as none of them is measured, their polarisations are completely undefined, i.e. they remain in a superposition state. As soon as the polarisa- tion of one photon is defined (e.g. by a polariser), the polarisation of the other photon is determined instantaneously, regardless of their current distance. This astounding non- local feature is known as the Einstein-Rosen-Podolsky paradox [8] and was proven by a manifold of experiments by showing the violation of Bell’s inequality [9]

2.