Ausgewogene Messung von Quantenzuständen von Licht

Quantenmechanische Technologien versprechen leistungsfähige Quantencomputer und Quantenkryptographie könnte nicht zu knackende Codes ermöglichen. Aber um sie in die Realität umzusetzen, sind zuverlässige Messung des Quantenzustands von Teilchen wie Photonen oder Atomen notwendig.

Elektromagnetische Felder, die Quanteneigenschaften aufweisen, sind üblicherweise schwach und die Schwingungsfrequenzen liegen im Bereich von Hunderten von Terahertz. Kein Detektor kann so schnelle Veränderungen erfassen. Dennoch gibt es eine Technik, die phasensensitive Messungen von Quantenfluktuationen des elektrischen Feldes mit regulären 'langsamen' Detektoren ermöglicht. Dieser Trick wird als ausgewogene Homodyndetektion bezeichnet.

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CV-QDAPT (Continuous-variable quantum detector and process tomography) realisierten Forscher ein neue Art, Detektoren von Quantenzuständen von Materie und Licht zu kalibrieren. Es ermöglichte ihnen, einen ausgewogenen Homodyndetektor zu kalibrieren, was bislang nicht möglich war, vor allem wegen der großen Zahl der möglichen Ergebnisse von ausgewogenen Homodyndetektoren.

Mit einem Ansatz des "Einpassens von Datenmustern" (fitting of data patterns) waren die Forscher von CV-QDAPT in der Lage, einen Detektor mit mehr als 150 Ergebnissen zu kalibrieren - eine Größenordnung, die weit über jedem anderen charakterisierten Detektor liegt. Hierfür prüfte man mit dem Detektor bekannte kohärente Zustände von Licht aus einem stabilisierten Laser, deren Eigenschaften mit anderen Mitteln bereits verifiziert wurden.

Der kalibrierte Detektor wurde verwendet, um verschiedene Quantenzustände der optischen Impulse zu charakterisieren. Die Ergebnisse dieser annahmefreien Quantenzustandsschätzung bestätigten die Gültigkeit der bestehenden theoretischen Modelle der ausgewogenen Homodyndetektion.

Die Forscher von CV-QDAPT demonstrierten außerdem, dass sich die Methode des Einpassens von Datenmustern nicht nur als Werkzeug für die Kalibrierung von komplexen Quantendetektoren zur Schätzung nichtklassischer Lichtzustände eignet, sondern auch verwendet werden kann, um zuverlässig Tomographie-Quantenprozesse auszuführen.

Die neue im Rahmen von CV-QDAPT demonstrierte Methode ergänzt das bestehende Konzept für die Quantenzustand-Tomographie und vollendet die Toolbox für selbständig kennzeichnende Quantendetektoren. Die Forscher erwarten, dass sie auch Anwendungen in anderen Bereichen als Lichtquantensysteme finden wird.