Komplexe Topologie in Quantenverschränkung entdeckt: 48 Dimensionen und 17.000 Muster

Ein Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Universität Witwatersrand (Wits) in Südafrika und der Huzhou-Universität in China, hat eine überraschend vielschichtige innere Struktur in der gängigen Form der Quantenverschränkung aufgedeckt. Diese bahnbrechende Entdeckung, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, ist von fundamentaler Bedeutung für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien. Sie belegt eindrücklich, dass selbst routinemäßig angewandte Methoden zur Erzeugung von Verschränkung ein komplexes, mehrdimensionales Terrain verbergen.

Im Zentrum der Untersuchung stand verschränktes Licht, welches mittels spontaner parametrischer Abwärtskonversion (SPDC) erzeugt wurde. Die Analyse konzentrierte sich dabei auf eine spezifische Eigenschaft des Lichts, den sogenannten Orbitalen Drehimpuls (OAM). Die quantitativen Kernbefunde sind bemerkenswert: Es wurde Verschränkung nachgewiesen, die sich über 48 Dimensionen erstreckt, und es konnten über 17.000 unterschiedliche topologische Muster identifiziert werden. Diese Zahl markiert den höchsten jemals in einem physikalischen System registrierten Wert an topologischen Mustern und zeugt von einer beispiellosen Komplexität.

Die Wissenschaftler konnten überzeugend darlegen, dass der Orbitale Drehimpuls (OAM) allein ausreicht, um diese komplexe Topologie hervorzubringen. Damit wird eine frühere Annahme entkräftet, die besagte, dass zur Erzeugung solcher Strukturen stets eine Kombination mehrerer Lichtmerkmale, wie etwa OAM und Polarisation, notwendig sei. Professor Andrew Forbes von der School of Physics an der Wits-Universität, einer der Hauptakteure dieses internationalen Konsortiums, hob hervor, dass die Topologie ein äußerst wertvolles Gut für die Informationskodierung darstellt, da sie inhärent unempfindlich gegenüber Störungen und Rauschen sein kann.

Diese Erkenntnis hat unmittelbare Implikationen für die Konstruktion robuster Systeme in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing. Der Hauptautor der Studie, Professor Robert de Mello Koch von der Huzhou-Universität, betonte, dass die komplexe Topologie gewissermaßen „gratis“ aus der räumlichen Verschränkung resultiert. Dies senkt die Eintrittshürde erheblich, um hochdimensionale Kodierungen praktisch nutzen zu können.

Um ihre theoretischen Annahmen zu untermauern, bediente sich das Team abstrakter Konzepte aus der Quantenfeldtheorie. Diese dienten dazu, präzise vorherzusagen, wo die Topologie zu erwarten wäre und welche spezifischen Signaturen man beobachten müsste. Diese Vorhersagen wurden anschließend durch sorgfältige experimentelle Messungen bestätigt. Es zeigt sich, dass die Natur oft tiefere Strukturen bereithält, als man auf den ersten Blick vermutet, wenn man nur die gängigen Methoden anwendet.

Die Forscher haben damit einen neuen Horizont in der Erforschung verschränkter Photonen eröffnet. Die Fähigkeit, derart viele unterschiedliche Zustände in einem relativ einfachen Setup zu kodieren, verspricht einen echten Quantensprung für die Informationsverarbeitung. Man kann gespannt sein, welche Türen diese Entdeckung für zukünftige Quantentechnologien aufstoßen wird, denn in der Welt der Quantenphysik scheint die Komplexität oft der Schlüssel zu größerer Leistungsfähigkeit zu sein.