Von allen Trägern, die Informationen übertragen können, ist Licht selbstverständlich das schnellste, und die Nutzung seiner Quanteneigenschaften kann es außerdem zu einem bedingungslos sicheren Kommunikationsmittel machen. Die Kodierung von Quanteninformation in Licht erfolgt durch die Definition von Quantenbits oder Qubits, diese berühmten Bausteine des Quantenrechnens.
Abbildung: Die Quanteninformation wird in kollektiven Variablen der Photonen kodiert (wie der Durchschnitt der Photonfrequenzen) in Form eines Frequenzkamms (hier die Variable Ω1). Die anderen kollektiven Variablen (zusammengefasst in der Variable Ω⊥) tragen keine Information und werden nicht gemessen. So haben Verschiebungen (Rauschen) eines Photons einen geringeren Effekt auf den Kamm, was ihn robuster gegenüber Störungen macht. Dieser Effekt wird umso geringer, je größer die Anzahl der Photonen im Kamm n ist, da er vom Kehrwert dieser Menge abhängt.
© P. Milman.
Jedoch, sei es in der Kommunikation oder im Quantenrechnen, ist Quanteninformation außerordentlich fragil, und Manipulationsfehler, Photonverluste oder die Kopplung zwischen Licht und parasitären Feldern können die Quanteninformation zerstören.
Um diesen Effekten entgegenzuwirken, haben Forscher und Forscherinnen in der Informatik und Physik Strategien entwickelt, wie zum Beispiel fehlerkorrigierende Quanten-Codes. Inspiriert von ihren klassischen Pendants basieren die Quanten-Codes auf Redundanz, indem die Information in Zuständen kodiert wird, die mehrere Qubits enthalten (statt nur eines), und die Messung ihrer kollektiven Eigenschaften, wie zum Beispiel ihre Parität.
Im Rahmen der Quantenoptik basieren diese Codes auf der Erzeugung komplexer Zustände, die Informationen über die Verschlechterung der von ihnen getragenen Information liefern, wenn sie geschickt gemessen werden. Die experimentelle Realisierung solcher Zustände ist jedoch schwierig, trotz ihrer Wichtigkeit und ihres Interesses.
In einer kürzlich durchgeführten Arbeit haben Forscher und Forscherinnen des CNRS und der Universitäten Paris-Diderot und Paris-Saclay im Labor für Materialien und Quantenphänomene (MPQ, CNRS / Universität Paris Cité) gezeigt, dass nichtlineare Vorrichtungen, die ein Photon eines Laserstrahls in ein Zwillingsphotonenpaar, das in ihrer Frequenz verschränkt ist, umwandeln, von Natur aus einen robusten Zustand gegenüber Fehlern erzeugen, der korrigiert werden kann, wenn er gestört wird. Tatsächlich erzeugt die nichtlineare Vorrichtung zur Umwandlung der Photonen einen kollektiven Frequenzkamm, in dem alle Photonen verschränkt sind, wenn er in eine optische Kavität eingebracht wird (siehe Abbildung).
Durch die Betrachtung der kollektiven Variablen dieses Systems (wie zum Beispiel den Durchschnitt der Frequenzen der Photonen) ist es möglich, diesen Kamm als fehlerkorrigierenden Code zu sehen. Vorrichtungen, die Photonenpaare mit solchen Eigenschaften erzeugen - die bis heute die größten photonischen Zustände sind, die eine Fehlerkorrektur in der Quantenoptik ermöglichen - existieren in verschiedenen Laboratorien.
Diese Ergebnisse eröffnen Perspektiven für die Entwicklung experimenteller Werkzeuge, die die Manipulation dieser Zustände in größerem Maßstab und deren Nutzung in Anwendungen wie der Quantenkommunikation ermöglichen. Sie sind in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Referenzen:
Gottesman-Kitaev-Preskill encoding in continuous modal variables of single photons, Éloi Descamps, Arne Keller und Pérola Milman, Physical Review Letters, veröffentlicht am 26. April 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.132.170601
Offenes Archiv: arXiv