Towards quantum teleportation with remote quantum dots

Christian Schimpf

angefertigt am Institut für Halbleiter- und Festkörperhysik der JKU

Kurzfassung (pdf)

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: manche Sonnenbrillen filtern beispielsweise bestimmte Polarisationsrichtungen weg, die dazu senkrechten werden durchgelassen. Im Quantenzustand kann nun ein Photon nun nicht nur horizontal (“1”) oder vertikal (“0”), sondern “sowohl-als-auch” sein. 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 jeweiligen Polaristione 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).

In meiner Arbeit habe ich, intensitätsstarke, verlässliche Quellen für verschränkte Einzel-Photonen-Paare hergestellt (?), kritisch getestet, und schließlich ein erfolgreiches Teleportationsexperiment durchgeführt.

Abb.1: Schematische Darstellung einer Teleportation: Der Zustand des linken grünen “Original”-Photons wird mithilfe eines Photons des verschränkten Paares verändert. Die “Schrödinger-Katze” symbolisiert die Korrelation zum verschränkten Partner. Information über die Messreihen wird klassisch (symbolisiert als Telephon) weitergegeben.

Bei einer Quanten-Teleportation wird nicht ein Objekt (hier ein Photon) von A nach B bewegt, sondern es wird die Information über den Zustand des Photons in A (z.B. seine Polarisation) auf dasjenige in B transportiert. Dazu benötigt man ein weiteres, “verschränktes” (= “miteinander verbandeltes” ) Photonenpaar. Mit einem der Partner macht man kominierte Messungen mit dem “Original” in A, und nutzt dann die von Einstein als “wie von Geisterhand” bezeichneten Auswirkungen auf den Partner zur Herstellung der “Kopie” in B.

Für zukünftige technische Anwendungen braucht man daher verlässliche, hocheffiziente Methoden, solch verschränkte Photonenpaare herzustellen. Äußerst vielversprechend sind sogenannte Halbleiter-Quantenpunkte, wie sie an unserem Institut erzeugt(?) werden. [… irgendwas über kooperation mit / expertise von …] mit dem Nanophotonics Lab von Prof. Rinaldo Trotta, der vor seiner Berufung die Universität Rom an unserem Institut forschte.

Ich zeige hier die Qualität (“fidelity”) der von mir durchgeführten Teleportation, die ich in meiner Masterarbeit mit Photonen aus einem unserer Quantendots (dem “QD1”) durchgeführt habe, und auch schon in eine Publikation aufgenommen wurde ¹⁾

Abb.2: Sogenannte Koinzidenz-Messung von D=… und A=…-polarisierten Photonen. was soll man als Schüler/Lehrer hier sehen?