Klassifizierung von Verschränkung in komplexen Systemen und Anwendungen

Das Quantenphänomen der Verschränkung ist aus der modernen Physik nicht mehr wegzudenken. Es ist nicht nur der Schlüsselaspekt einer ganzen Forschungsrichtung, der Quanteninformationstheorie, welche zahlreiche technologische Anwendungen (wie etwa Quantencomputer oder Quantenkryptographie) findet, sondern spielt auch bedeutende Rollen in anderen wissenschaftlichen Bereichen, von Festkörperphysik über Teilchenphysik bis hin zur Mikrobiologie. Trotz ihrer weitreichenden Bedeutung für die Physik ist Verschränkung nur in sehr begrenztem Maße erforscht. Lediglich die einfachsten Systeme (Zweiteilchensysteme mit zwei Freiheitsgraden pro System) sind annähernd vollständig verstanden, während besonders im Bereich der Vielteilchenverschränkung einige der zentralsten Fragen noch ungeklärt sind. Eine dieser Fragen ist die der Klassifizierung von Vielteilchenverschränkung, welcher sich dieses Projekt widmet. Aufgrund ihrer im Allgemeinen sehr komplizierten Struktur lässt sich Vielteilchenverschränkung auf sehr unterschiedliche Arten klassifizieren, beispielsweise durch die involvierten Freiheitsgrade, die Destillierbarkeit (also das Potential zur Gewinnung stark verschränkter Teilchen aus mehreren schwächer verschränkten), oder die Äquivalenz bzw. Inequivalenz verschränkter Zustände in Bezug auf unterschiedliche Klassen von Operationen. Neben diesen zentralen Fragestellungen sind auch mögliche Anwendungen dieser Verschränkungsklassen sowie tiefergehende damit zusammenhängende Fragen von großer Relevanz für dieses Projekt. Aus technologischer Sicht bieten unterschiedliche Verschränkungsklassen und deren individuelle Eigenschaften einzigartige Möglichkeiten zur Anwendung in der Quanteninformationstechnologie, welche aufgrund fehlender Forschung bisher größtenteils nur auf Zweiteilchenverschränkung basierte. Des Weiteren bietet die tiefere Erforschung von Verschränkungsklassen (etwa in Zusammenhang mit relativistischen Effekten) die Möglichkeit, das Phänomen der Verschränkung im Allgemeinen besser zu verstehen und somit bedeutend zur Beantwortung fundamentaler Interpretationsfragen der Quantenmechanik beizutragen. Da all diese Fragen und Probleme eng miteinander verbunden sind, können sie nur gemeinsam sinnvoll behandelt werden. Dies ist das Ziel dieses Forschungsprojektes.

Das Quantenphänomen der Verschränkung ist aus der modernen Physik nicht mehr wegzudenken. Es ist nicht nur der Schlüsselaspekt einer ganzen Forschungsrichtung, der Quanteninformationstheorie, welche zahlreiche technologische Anwendungen (wie etwa Quantencomputer oder Quantenkryptographie) findet, sondern spielt auch eine bedeutende Rolle in anderen wissenschaftlichen Bereichen, von Festkörperphysik über Teilchenphysik bis hin zur Mikrobiologie. Trotz ihrer weitreichenden Bedeutung für die Physik ist Verschränkung nur in sehr begrenztem Maße erforscht. Lediglich die einfachsten Systeme (Zweiteilchensysteme mit zwei Freiheitsgraden pro System) sind annähernd vollständig verstanden, während besonders im Bereich der Vielteilchenverschränkung einige der zentralsten Fragen noch ungeklärt sind. Eine dieser Fragen ist die Klassifizierung und Detektion von Vielteilchenverschränkung.Aufgrund ihrer im Allgemeinen sehr komplizierten Struktur lässt sich Vielteilchenverschränkung auf sehr unterschiedliche Arten klassifizieren und die Detektion ist von vielen Aspekten abhängig, muss also von Fall zu Fall entwickelt werden.Unsere neuen Methoden haben es u.a. ermöglicht, in enger Zusammenarbeit mit einem Experimentalphysiker tätig an der Universität Leiden, ein Experiment zu designen, das erstmals gefangene Zweiteilchenverschränkung (bound entanglement) nachweisen konnte. Das ist mit zwei verdrehten Photonen in drei verschieden Zuständen gelungen. Es existiert also wirklich eine Verschränkungsart, die nicht maximiert werden kann! Wofür diese Art der Verschränkung nützlich sein kann, werden hoffentlich zukünftige Forschungen zeigen können.Ein anderes Experiment hat sich an vier verdrehte Photonen herangewagt. Hier gibt es bereits sehr viele Möglichkeiten, die im Experiment nicht alle leicht (bis gar nicht) zu kontrollieren sind. Unsere theoretischen Methoden haben diese Vielfalt so reduzieren können, dass der erste experimentelle Nachweis von echter Vielteilchverschränkung für vier verdrehte Photonen gelungen ist.