Physiker haben einzelne Lichtteilchen, Photonen, unter ultra-stabilen Laborbedingungen manipuliert. Sie teilten ein einzelnes Photon in zwei separate Entitäten mit geringerer Energie auf und beobachteten mit bisher unerreichter Präzision das Verhalten der intrinsischen Rotation dieser beiden neuen Entitäten.
Diese experimentelle Meisterleistung bestätigt ein fundamentales Naturgesetz auf der elementarsten Skala.
Der Bahndrehimpuls beschreibt, wie Licht um seine Ausbreitungsachse rotiert, ähnlich wie die Erde um die Sonne kreist. Jedes Photon trägt diese Eigenschaft als unveränderliche Signatur, die durch die Symmetrien des Universums vorgegeben wird. Die Forscher bestätigten, dass die Summe der Rotationen der erzeugten Photonen stets der des ursprünglichen Photons entspricht.
Das internationale Team überwand monumentale technische Herausforderungen, wobei nur eine von einer Milliarde Versuchen erfolgreich war. Ihre optische Vorrichtung filterte Störgeräusche heraus, um seltene Ereignisse zu erfassen. Diese Ausdauer ermöglichte die Sammlung statistisch signifikanter Daten zur Erhaltung.
Die Ergebnisse deuten auch auf das Auftreten von Quantenverschränkung zwischen den erzeugten Photonenpaaren hin. Dieses Phänomen, bei dem Teilchen über Distanzen verbunden bleiben, eröffnet Perspektiven für Quantentechnologien. Solche Eigenschaften könnten sichere Kommunikation und Hochleistungsrechnen revolutionieren.
Diagramm, das die Aufspaltung eines Photons ohne Drehimpuls in zwei Photonen mit entgegengesetzten Rotationen veranschaulicht.
Quelle: Robert Fickler / Universität Tampere
Die nächsten Schritte zielen darauf ab, die Effizienz des Prozesses zu optimieren und komplexere Quantenzustände zu erforschen. Diese Fortschritte könnten zu neuen Anwendungen in der Quantenphotonik führen und die Grundlagen dieser aufstrebenden Disziplin stärken.
Was ist der Bahndrehimpuls von Licht?
Der Bahndrehimpuls (OAM) ist eine physikalische Eigenschaft, die beschreibt, wie ein Lichtstrahl um seine Ausbreitungsachse rotiert. Im Gegensatz zur Polarisation, die die Ausrichtung der Schwingungen betrifft, ist der OAM mit der räumlichen Struktur des Lichts verbunden und erzeugt spiralförmige Muster.
Diese Eigenschaft ermöglicht die Kodierung von Informationen in Photonen und erhöht die Kapazität von Kommunikationssystemen. Strahlen mit einem nicht-null OAM weisen eine helikale Phase auf, die in der Mikroskopie und Partikelmanipulation nützlich ist. Der OAM ist quantisiert, was bedeutet, dass er nur diskrete Werte annehmen kann, die Vielfache des Planckschen Wirkungsquantums sind.
Aktuelle Forschungen untersuchen seine Anwendung in der Quantenverschlüsselung und hochauflösenden Sensoren, wodurch seine Bedeutung über die Grundlagenphysik hinaus wächst.
Wie funktioniert Quantenverschränkung zwischen Photonen?
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen, wie Photonen, untrennbar verbunden werden, wobei ihre Eigenschaften selbst über große Entfernungen korreliert sind. Wenn eines gemessen wird, reagiert das andere instantan, was der klassischen Intuition widerspricht.
Diese Verbindung besteht ohne konventionellen Informationsaustausch und beruht auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Albert Einstein nannte es "spukhafte Fernwirkung", aber moderne Experimente haben seine Realität bestätigt.
Verschränkung ist entscheidend für aufstrebende Technologien wie Quantencomputing und Quantenteleportation. Sie ermöglicht die Erzeugung überlagerter Zustände und unknackbarer Kommunikationskanäle.
Aktuelle Fortschritte verbessern die Erzeugung und Detektion verschränkter Paare und ebnen den Weg für globale Quantennetzwerke und fundamentale Tests zur Natur der Realität.
Quelle: Physical Review Letters