Diese Entdeckung, eine Wien (Theorie)-Leiden (Experiment) Kollaboration, öffnet einen neuen Zugang zur Studie von Vielteilchenverschränkung, und schafft neue Möglichkeiten in der Viel-Partner-Quantenkryptographie. Der Artikel ist in Physical Review Letters publiziert und hervorgehoben.
Verschränkung ist die Grundlage für physikalisch total sichere Quantenkommunikation, und die wichtigste Ressource für Quantencomputing. Das Paradebeispiel ist die Polarisation eines Photons, dieser kann allerdings nur zwei „Einstellungen“ haben, z.B. rechts- und linkszirkulare Polarisation. Damit kann pro Photon nur ein Bit Information übertragen werden. Nun hat das Photon weitere Eigenschaften, und eine besonders interessante ist ihr Bahndrehimpuls, der erst 1992 in Leiden (Niederlande) entdeckt wurde. Photonen mit Bahndrehimpuls haben eine schraubenförmige Wellenfront, deswegen werden sie auch „twisted photons“ genannt. Dieser Impuls kann nun im Prinzip unendlich viele diskrete Einstellungen annehmen, und damit kann viel mehr Information gleichzeitig übertragen: Man hat ein großes Alphabet zur Verfügung.
Hintergrund. Erst 2001 war es Forschern aus Wien gelungen, zwei Photonen auf so eine Art zu verschränken. Seitdem wird diese Art der Verschränkung und mögliche Anwendungen in tausenden Experimenten weltweit untersucht. Es war bekannt, dass mehr als zwei Photonen in ihrer Polarisation verschränkt werden können, aber nun ist es erstmalig auch Verschränkung im Bahndrehimpuls nachgewiesen worden. Damit können nun zum Beispiel Quanteninformationen zwischen mehr als zwei Parteien (sogenanntes quantum secret sharing) effizienter ausgetauscht werden.
Experiment. In dem erfolgreichen Experiment haben die Wissenschaftler leistungsstarke 2 Pikosekunden kurze ultraviolett Laserpulse in einen Kristall geschickt und damit bis zu 5 Photonen-„Vierlinge“ produziert. Um dann tatsächlich Quantenverschränkung zu detektieren, haben sie mit räumlichen Phasenmodulatoren (ähnlich deformierbaren Spiegeln) die „Drehung“ der Photonen beeinflusst, um sie dann mit Glasfasern und Einzelphotonendetektoren zu registrieren. Mit Hilfe von mathematischen Tricks von Beatrix C. Hiesmayr war es dann möglich die Struktur der Quantenverschränkung zu bestimmen.
Observation of four-photon orbital angular momentum entanglement, B. C. Hiesmayr, M, J. A. de Dood, W. Löffler, Physical Review Letters 116, 073601 (2016), Editor’s suggestion
