Neue Rekorde mit “Schrauben aus Licht” aufgestellt

Dem Forscherteam um Anton Zeilinger ist es gelungen, zwei neue Rekorde beim Experimentieren mit verdrehten Lichtteilchen aufzustellen. Zum einen konnten sie zeigen, dass die Verdrehung von Licht selbst über eine Distanz von 143 Kilometer aufrechterhalten bleibt, was zukünftige Datenübertragung revolutionieren könnte. Andererseits haben sie es in Zusammenarbeit mit australischen Wissenschaftern geschafft, einzelne Lichtquanten stärker zu verdrehen als je zuvor und diese zudem mit einem zweiten Teilchen zu verschränken. Auch diese Ergebnisse, veröffentlicht im renommierten Fachmagazin PNAS, weisen auf in Zukunft mögliche vergrößerte Speichermöglichkeiten auf einzelnen Lichtquanten hin.

Schrauben aus Licht
Immer wieder überraschen neue Eigenschaften von Licht die Forschungswelt. So kann man Licht etwa in eine korkenzieherartige Form bringen, um sogenannte “Schrauben aus Licht” zu erzeugen, wie es Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien, bezeichnet. Das erstaunliche dabei ist, dass man jedem einzelnen Lichtteilchen, also Photonen, eine im Prinzip beliebige Anzahl an Windungen aufprägen kann. Je größer die Anzahl an Windungen, desto größer die so genannte Quantenzahl, mit der man das Photon beschreibt. Diese Eigenschaft haben sich nun die Wissenschafter des Vienna Centers for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Wien (IQOQI Wien) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in zwei Arbeiten zu Nutze gemacht und dabei bisherige Rekorde bezüglich der Übertragungsdistanz sowie Größe der Quantenzahl gebrochen.

Eine Lichtschraube am 143 Kilometer langen Weg zwischen den Kanarischen Inseln von La Palma nach Teneriffa (Image copyright: Universität Wien).

Eine Lichtschraube am 143 Kilometer langen Weg zwischen den Kanarischen Inseln von La Palma nach Teneriffa (Image copyright: Universität Wien).

Nachrichten mit Lichtschrauben über 143 Kilometer übermittelt
Lichtschrauben können im Prinzip beliebig viel Information pro Photon enthalten, im Gegensatz zu Polarisation, der Schwingungsrichtung des Lichts, mit der sich nur ein Bit pro Lichtteilchen an Information übertragen lässt. So wurden unter Laborbedingungen bereits Datenraten von bis zu 100 Terabit pro Sekunde erreicht, was dem Inhalt von etwa 120 Blue-Ray-Discs entspricht. Die Übertragung in realistischen Szenarien steckt hingegen noch in den Kinderschuhen. Neben der Übertragung über kurze Distanzen in speziellen Glasfasern konnten über freie Wegstrecken – benötigt etwa zur Satellitenkommunikation – bisher nur drei Kilometer zurückgelegt werden; ein Rekord, den dasselbe Team 2014 aufgestellt hatte (https://www.youtube.com/watch?v=OEupkfMqKGY).

In der aktuellen Studie zeigen die Forscher um Anton Zeilinger und Mario Krenn, dass in Lichtschrauben kodierte Information selbst nach über 100 Kilometern noch immer rekonstruiert werden kann. Das Experiment fand zwischen den Kanarischen Inseln von La Palma und dem 143 Kilometer entfernten Teneriffa statt. “Die Nachricht “Hello World!” wurde mithilfe eines optischen Hologramms auf einen grünen Laser aufgeprägt, und auf der anderen Insel mithilfe eines neuronalen Netzes entschlüsselt”, erklärt Krenn, Dissertant in Zeilingers Gruppe. Nachdem nun gezeigt wurde, dass diese Lichteigenschaften im Prinzip über große Distanzen erhalten bleiben, müssen sie mit modernen Kommunikationstechnologien verbunden werden – woran bereits mehrere Gruppen weltweit arbeiten.

Quantenverschränkung mit fünfstelligen Quantenzahlen
Im zweiten Experiment gingen die Forscher, in Zusammenarbeit mit einer Gruppe aus Canberra in Australien, der Frage auf den Grund, wie stark sich einzelne Photonen schraubenartig verdrehen lassen, ohne eindeutige Quanteneigenschaften zu verlieren. Stimmt die Quantenphysik also auch im Limit der großen Quantenzahlen oder übernimmt dann wieder die klassische Physik bzw. Alltagswelt das Ruder? Die Wissenschafter nutzten hierfür eine neue Technik der australischen Kollegen, so genannte spirale Phasenspiegel, mit welchen sich noch nie da gewesene Verdrehungen und somit riesige Quantenzahlen erreichen lassen. Die speziell für das Experiment in Wien hergestellten Spiegel erzeugen Lichtschrauben mit einer Quantenzahl von über 10.000 und sind damit hundertmal Mal stärker verdreht als in früheren Experimenten.

Im Experiment erzeugten die Wiener Forscher zunächst verschränkte Photonenpaare, d.h. zwei Lichtteilchen, die trotz räumlicher Trennung scheinbar miteinander in Verbindung stehen; einem quantenmechanischen Phänomen, welches Einstein bereits zu den Worten “spukhafte Fernwirkung” veranlasste. Anschließend verdrehten sie eines der Teilchen mit Hilfe der australischen Spiegel ohne die Verschränkung zu zerstören und zeigten damit, dass die Quantenphysik auch im Bereich der fünfstelligen Quantenzahlen die richtigen Vorhersagen liefert. Obwohl das grundlegende Interesse zunächst im Vordergrund stand, sind zukünftige Anwendungen nicht ausgeschlossen. “Schon die enorme Komplexität des erzeugten Lichtstrahls ist beeindruckend und kann als ein anschauliches Zeichen gesehen werden, wie viel Information auf so einem einzelnen Lichtquant Platz haben sollte”, erläutert Robert Fickler, der gerade als Postdoc an der Universität von Ottawa, Kanada, arbeitet.

In beiden Studien ist es den Wissenschaftern gelungen, kleine Weltrekorde aufzustellen, um einerseits grundlegenden Frage zu klären und andererseits den Weg zu möglichen Zukunftstechnologien aufzuzeigen.

Die Forschung wurde gefördert durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie den österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), dem österreichischen Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMFWF) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Publikationen in “PNAS”:
Robert Fickler, Geoff T. Campbell, Ben C. Buchler, Ping Koy Lam, Anton Zeilinger “Quantum entanglement of angular momentum states with quantum numbers up to 10010”: https://arxiv.org/abs/1607.00922
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1612023113

Mario Krenn, Johannes Handsteiner, Matthias Fink, Robert Fickler, Rupert Ursin, Mehul Malik, Anton Zeilinger “Twisted Light Transmission over 143 kilometers”:
https://arxiv.org/abs/1606.01811
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1616889113

Weitere Informationen
Forschungsgruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Fakultät für Physik der Universität Wien und Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien (IQOQI Wien) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften: https://www.quantum.at/
Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ): https://vcq.quantum.at/

*Source: Universität Wien

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