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 bemerkenswert 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 Polarisationen der Photonen eines geeignet erzeugten Paares sind korreliert: vor einer Messung unbestimmt, legt die Messung an einem Partner instantan diejenige des anderen, möglicherweise weit entfernten Partners fest. Einstein nannte dies “spukhafte Fernwirkung”.
2. Quanten Interferenz: 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, welche in unserem Institut hergestellt werden, 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 etwa 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” Photonenpaar. Mit einem der Partner macht man kombinierte 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. Gemeinsam mit dem Nanophotonics Lab von Prof. Rinaldo Trotta, der vor seiner Berufung an die Universität Rom an unserem Institut forschte, nützen wir diese Quellen zur Realisierung wichtiger Experimente für Anwendungen der Zukunft.

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: Die Muster in Bild A zeigen sogenannte “Korrelations”messungen, mit der man die Qualität der Teleportation bestimmt: was zählt, sind die Peaks in der Mitte. Sie zeigen, wie ähnlich die Polarisation der ausgehenden und der eingehenden Photonen (die man teleportieren möchte), sind. Bild C fasst diese Ähnlichkeit (“fidelity” genannt“), für verschiedene Eingangs-Polarisationen zusammen: H(orizontal) V(ertical), Man sieht, dass alle Werte über dem „klassischen Limit“ von 2/3 liegen. Dieses Limit gibt an, wie gut ein Apparat eine Teleportation theoretisch nachahmen könnte.Sogenannte Koinzidenz-Messung von D=… und A=…-polarisierten Photonen. was soll man als Schüler/Lehrer hier sehen?