Manche Ziele erreicht man nur gemeinsam. Wie Wissenschaftler*innen der Universität Rostock zeigen, trifft diese sehr menschlich anmutende Erkenntnis auch auf die kleinsten Bausteine der Natur zu.

Im Zentrum der Quantenmechanik steht die Behauptung, dass alles aus Elementarteilchen besteht – den kleinsten Teilchen, die nicht weiter geteilt werden können. Also fragte sich die Doktorandin Vera Neef: „Gibt es etwas, was zwei Teilchen nur gemeinsam schaffen können? Etwas, das für ein Teilchen alleine unmöglich zu erzielen ist?“ Sie ist Erstautorin der aktuellen Publikation „Pairing particles into holonomies“, auf Deutsch etwa „Verknüpfung von Teilchen erzeugt Holonomien“.

In seinen Experimenten war das Forscher*innen-Team besonders interessiert an Photonen, den Elementarteilchen, aus denen Licht besteht. Photonen seien merkwürdig, erklärt uns Dr. Tom Wolterink, da zwei Photonen zur selben Zeit am selben Ort sein könnten, eine Eigenschaft, die sie ziemlich einzigartig mache. Dr. Matthias Heinrich fügt hinzu: „Mit einem leistungsstarken Laser erzeugen wir sogenannte Wellenleiter in einem Stück Glas.“ Diese Wellenleiter kann man sich bildlich vorstellen als Autobahn für Licht. Genau wie Autos auf der Autobahn die Spur wechseln können, können Photonen von einem Wellenleiter zum nächsten springen. Dabei gibt die Form der Licht-Autobahn die Richtung der Photonen vor. 

Stellen wir uns eine mehrspurige Autobahn vor, bei der jede einzelne Spur zu einem anderen Ziel führt. Darauf fährt ein Auto, das eine sehr wichtige Nachricht transportiert. Dabei ist von großer Bedeutung, welche Autobahnausfahrt dieses bildlich gesprochene Auto nimmt. Allerdings können schon kleinste Fehler das Auto auf die falsche Spur bringen. Prof. Alexander Szameit, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik, erklärt die Relevanz dieser Forschung: „Um irgendwann einen Quantencomputer bauen zu können, müssen wir in der Lage sein, den Weg der Photonen genau zu kontrollieren. Allerdings sind Photonen ziemlich empfindlich. Nicht einmal die beste Ingenieurskunst kann garantieren, dass niemals ein Photon im falschen Wellenleiter landet.“ 

Mit großer Begeisterung erklärt uns Vera Neef: „Um diesem Problem zu begegnen, verwenden wir nun ein Paar von Photonen, statt, wie bisher, die Daten in einem einzelnen Photon zu speichern. Anders gesagt: Wir verteilen die Nachricht auf zwei Autos.“ Jedes einzelne Auto hat nach wie vor eine gewisse Wahrscheinlichkeit, auf der falschen Spur zu landen. Die Chance aber, dass beide Autos versehentlich dasselbe falsche Ziel erreichen, ist verschwindend gering. Dabei gilt die Nachricht nur als vollständig, wenn beide Autos am selben Zielort eintreffen. Falls ein Auto alleine an einem Ziel eintrifft, wird die Nachricht als unvollständig verworfen. „Wir waren selbst überrascht, wie gut unsere Methode funktioniert“, kommentiert Vera Neef. „Als wir die Eigenschaften unserer sprichwörtlichen Licht-Autobahn absichtlich um 10% verschlechtert haben, haben sich unsere Messergebnisse fast nicht verändert.“ 

Die kürzlich im renommierten Wissenschaftsjournal Science Advances veröffentlichte Arbeit erweitert das mathematische Konzept der sogenannten Holonomien von einzelnen Teilchen auf Teilchenpaare und größere Gruppen. Damit werden nicht nur wichtige Grundlagen für die Herstellung von Quantencomputern geschaffen, sondern auch neue Möglichkeiten eröffnet jene Elementarteilchen zu erforschen, die sich im Innern von Atomen befinden. 

Teamarbeit macht also wirklich so manches einfacher. Und das gilt sogar für Photonen. 

Zur Veröffentlichung: https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ady3856

Kontakt:           
Prof. Dr. Alexander Szameit 
Universität Rostock
Institut für Physik
E-Mail: alexander.szameituni-rostockde

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