Albert Einstein bezeichnete sie seinerzeit als «spukhafte Fernwirkung»: die Verschränkung von zwei Teilchen mithilfe der Quantenphysik. Und auch heute ist es zumindest für Laien nicht ganz fassbar, wie zwei Atome oder Lichtteilchen über grosse Distanzen miteinander verbunden sein können. Es ist schwer vorstellbar, warum eines dieser Teilchen seinen quantenphysikalischen Zustand ändert, wenn man den Zustand seines verschränkten Gegenstücks manipuliert, das mehrere Kilometer von ihm entfernt ist. Diese Fernwirkung machten Quantenphysiker jedoch schon vor Jahrzehnten zur Realität. Atac Imamoglu, Professor am Institut für Quantenelektronik, und sein Team sind in diesem Forschungsbereich nun einen entscheidenden Schritt weitergekommen. Ihnen ist als erste eine neue Art von Verschränkung gelungen: jene zwischen einem stationären «künstlichen Atom» und einem mobilen Lichtteilchen (Photon) in einem Halbleitersystem.

Information über weite Distanzen übertragen

Diese Errungenschaft ist vor allem im Hinblick auf mögliche zukünftige Anwendungen bemerkenswert. «Es ist ein grosses Ziel der Quantenphysik, dereinst Teilchen in grosser Entfernung miteinander zu verschränken», sagt Imamoglu. Dies sei eine Voraussetzung, um künftig mithilfe der Quantenphysik die Telekommunikation und die Informationstechnologien zu revolutionieren. Es geht dabei beispielsweise darum, abhörsichere Kommunikationsverbindungen oder leistungsfähigere Computer herzustellen.

«Aufbauend auf unserem System kann man in Zukunft beispielsweise mehrere entfernte stationäre Teilchen miteinander verschränken», sagt Imamoglu. Weil sich die physikalischen und quantenphysikalischen Eigenschaften all dieser Teilchen manipulieren lassen, kann man darin Informationen speichern, beispielsweise in der Wellenlänge, sprich Farbe der Lichtteilchen, oder im Elektronenspin der künstlichen Atome. Und weil Photonen mobil sind, könnten sie in Zukunft Informationen über ein Glasfaserkabel zu einem entfernten stationären System transportieren und dessen quantenphysikalische Zustände verändern.

Einfach zu vergrössern

Noch ist man nicht soweit. Im Versuchsstadium besteht das System der ETH-Forscher aus einem Elektronenspin und einem Photon. Es muss also zunächst um weitere Teilchen vergrössert werden. Nach der Ansicht von Weibo Gao, Postdoc in Imamoglus Gruppe und Erstautor der Arbeit, die im Fachmagazin «Nature» erschienen ist, dürfte dies in dem von ihnen verwendeten System vergleichsweise einfach sein.

Die ETH-Forscher haben die Verschränkung in einem Halbleitersystem bewerkstelligt. Ein derartiger Halbleiter ist vergleichbar mit einem Computerchip. Im Unterschied dazu besteht er jedoch nicht aus Silizium, sondern aus den Verbindungen Galliumarsenid und Indiumgalliumarsenid, die sich besonders gut für quantenoptische Experimente eignen. Bereits vor einigen Jahren ist es Wissenschaftlern gelungen, in einem anderen System, einer sogenannten Ionenfalle, ein stationäres und ein bewegliches Teilchen miteinander zu verschränken. «Die gegenwärtigen Ionenfallen-Experimente füllen jedoch ganze Labors und sind vor allem für die Grundlagenforschung interessant», sagt Emre Togan, ein weiterer an der Forschung beteiligter Wissenschaftler. Wenn es dereinst darum gehe, ein tragbares, leistungsfähiges Gerät für die Quantenkommunikation zu bauen, hätten Halbleitersysteme Vorteile.

Literaturhinweis

Gao WB, Fallahi P, Togan E, Miguel-Sanchez J, Imamoglu A: Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature, 2012, 491: 426-430, DOI: 10.1038/nature11573