Forscher entwickeln eine Lichtquelle, die zwei verschränkte Lichtstrahlen erzeugt

Wissenschaftler untersuchen zunehmend die Quantenverschränkung, die auftritt, wenn zwei oder mehr Systeme so erzeugt werden oder interagieren, dass die Quantenzustände einiger nicht unabhängig von den Quantenzuständen der anderen beschrieben werden können. Die Systeme sind korreliert, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Das erhebliche Potenzial für Anwendungen in den Bereichen Verschlüsselung, Kommunikation und Quantencomputing beflügelt die Forschung. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Systeme, wenn sie mit ihrer Umgebung interagieren, fast sofort entwirrt werden.

In der neuesten Studie des Laboratory for Coherent Manipulation of Atoms and Light (LMCAL) am Physikalischen Institut der Universität São Paulo (IF-USP) in Brasilien ist es den Forschern gelungen, eine Lichtquelle zu entwickeln, die zwei verschränkte Lichtstrahlen erzeugt. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Diese Lichtquelle war ein optischer parametrischer Oszillator oder OPO, der typischerweise aus einem Kristall mit nichtlinearer optischer Reaktion zwischen zwei Spiegeln besteht, die einen optischen Hohlraum bilden. Wenn ein hellgrüner Strahl auf die Apparatur scheint, erzeugt die Kristall-Spiegel-Dynamik zwei Lichtstrahlen mit Quantenkorrelationen“, sagte der Physiker Hans Marin Florez, letzter Autor des Artikels.

Das Problem ist, dass Licht, das von kristallbasierten OPOs emittiert wird, nicht mit anderen im Kontext der Quanteninformation interessierenden Systemen wie kalten Atomen, Ionen oder Chips wechselwirken kann, da seine Wellenlänge nicht die gleiche ist wie die der betreffenden Systeme. „Unsere Gruppe hat in früheren Arbeiten gezeigt, dass Atome selbst als Medium anstelle eines Kristalls verwendet werden können. Wir haben daher den ersten OPO auf Basis von Rubidiumatomen hergestellt, bei dem zwei Strahlen intensiv quantenkorreliert waren, und eine Quelle erhalten, mit der sie interagieren können andere Systeme mit dem Potenzial, als Quantenspeicher zu dienen, wie kalte Atome“, sagte Florez.

Dies reichte jedoch nicht aus, um zu zeigen, dass die Strahlen verschränkt waren. Neben der Intensität werden auch die Phasen der Strahlen, die mit der Lichtwellensynchronisation zu tun haben, benötigt, um Quantenkorrelationen darzustellen. „Genau das ist uns in der neuen Studie gelungen, über die berichtet wird Briefe zur körperlichen Überprüfung,“ er sagte.

„Wir wiederholten dasselbe Experiment, fügten aber neue Detektionsschritte hinzu, die es uns ermöglichten, die Quantenkorrelationen in den Amplituden und Phasen der erzeugten Felder zu messen. Als Ergebnis konnten wir zeigen, dass sie verschränkt waren. Darüber hinaus ermöglichte uns die Detektionstechnik dies beobachten, dass die Verschränkungsstruktur reicher war, als man typischerweise charakterisieren würde. Anstatt dass zwei benachbarte Bänder des Spektrums verschränkt waren, hatten wir tatsächlich ein System produziert, das vier verschränkte Spektralbänder umfasste.“

In diesem Fall waren die Amplituden und Phasen der Wellen verschränkt. Dies ist in vielen Protokollen von grundlegender Bedeutung, um quantencodierte Informationen zu verarbeiten und zu übertragen. Neben diesen möglichen Anwendungen könnte diese Art von Lichtquelle auch in der Messtechnik eingesetzt werden. „Quantenkorrelationen der Intensität führen zu einer erheblichen Reduzierung von Intensitätsschwankungen, was die Empfindlichkeit optischer Sensoren verbessern kann“, sagte Florez. „Stellen Sie sich eine Party vor, auf der alle reden und Sie niemanden auf der anderen Seite des Raums hören können. Wenn der Lärm ausreichend abnimmt, wenn alle aufhören zu reden, können Sie aus einiger Entfernung hören, was jemand sagt.“

Die Verbesserung der Empfindlichkeit von Atommagnetometern, die zur Messung der vom menschlichen Gehirn emittierten Alphawellen verwendet werden, ist eine der möglichen Anwendungen, fügte er hinzu.

Der Artikel weist auch auf einen zusätzlichen Vorteil von Rubidium-OPOs gegenüber Kristall-OPOs hin. „Kristall-OPOs müssen Spiegel haben, die das Licht länger im Hohlraum halten, damit die Wechselwirkung quantenkorrelierte Strahlen erzeugt, während die Verwendung eines atomaren Mediums, in dem die beiden Strahlen effizienter als mit Kristallen erzeugt werden, die Notwendigkeit von Spiegeln vermeidet das Licht so lange einzusperren“, sagte Florez.

Bevor seine Gruppe diese Studie durchführte, hatten andere Gruppen versucht, OPOs mit Atomen herzustellen, konnten jedoch keine Quantenkorrelationen in den erzeugten Lichtstrahlen nachweisen. Das neue Experiment zeigte, dass es im System keine intrinsische Grenze gab, um dies zu verhindern. „Wir haben entdeckt, dass die Temperatur der Atome der Schlüssel zur Beobachtung von Quantenkorrelationen ist. Offensichtlich verwendeten die anderen Studien höhere Temperaturen, die die Forscher daran hinderten, Korrelationen zu beobachten“, sagte er.