Definition

SPDC^[1] steht für Spontaneous parametric down-conversion^[2], auf Deutsch auch parametrische Fluoreszenz^[3] genannt: ein anfänglicher Laserstrahl einer Frequenz f₁ wird in zwei sekundäre und dann miteinander verschränkte Photonen mit den Frequenzen f₂ und f₃ verwandelt. Die Addition der Frequenzen von gibt f₂ und f₃ wieder die Frequenz f₁. Die SPDC-Versuche spielen eine wichtige Rolle für das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon^[4], die Quantenteleportation^[4]^[5], Quantencomputer^[5] und die Quantenkryptographie^[5]. Diese Experimentieranordnung gehört zu einer Reihe von Versuchen, die fundamentale und scheinbar wirklichkeitsfremde Züge der Quantenphysik^[6] für praktische Anwendungen nutzbar machen.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Moderne SPDC-Experimente, hier in einer fiktiven Nachempfindung, verwenden mehrere Laserstrahlen. Der Kern der Idee ist es, dass zwei erzeugte Strahlen, oder besser gesagt, zwei erzeugte Photonen derart miteinander verschränkt sind, dass eine Messung der Polarisation an einem der Photonen sofort auch Eigenschaften des anderen Photons festlegt. Nach der klassischen Physik dürfte das nicht möglich sein. © Gunter Heim/ChatGPT ☛

Fußnoten

[1] Magnitskiy, S., Frolovtsev, D., Firsov, V. et al. A SPDC-Based Source of Entangled Photons and its Characterization. J Russ Laser Res 36, 618–629 (2015). Online: https://doi.org/10.1007/s10946-015-9540-x

[2] "The creation and coherent manipulation of multi-photon entangled states has a crucial role in photonic quantum-information processing. In most cases, a pulse-pumped spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process is used for the generation of multi-photon entangled states in which n photon pairs from the SPDC's nth-order emission are available. " Huang, YF., Liu, BH., Peng, L. et al. Experimental generation of an eight-photon Greenberger–Horne–Zeilinger state. Nat Commun 2, 546 (2011). https://doi.org/10.1038/ncomms1556

[3] Die parametrische Fluoreszenz ist, ein "der spontanen Emission verwandter Prozeß der nichtlinearen Optik". Dabei wird "eine intensive Welle (Laserstrahlung) einer Frequenz ν₃, die sog. Pumpwelle, in einem nichtlinearen Kristall [...] zu einem geringen Teil in Strahlung unterschiedlicher niedrigerer Frequenz umgewandelt wird." Dabei gilt als "Folge der Energieerhaltung" die Beziehung "ν₃=ν₁+ν₂": die Summe der beiden Frequenzen der zwei sekundär erzeugten Photonen gleich der Frequenz des Pumpphotons. Eine sogenannt "Phasenanpassungsbedingung" bewirkt dann, "daß die Frequenz von der Ausstrahlungsrichtung abhängt. In praktischen Fällen liegen die zur gleichen Frequenz gehörigen Ausstrahlungsrichtungen auf Kegeln." Dabei sind die Ausbreitungsrichtungen der zwei erzeugten Photonen miteiander verbunden: "Greift man ein mögliches Photonenpaar heraus, so ist die Ausbreitungsrichtung des ersten Photons mit einer ganz bestimmten, auf einem anderen Kegel liegenden Ausbreitungsrichtung des zweiten Photons verknüpft." In: Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000. Dort der Artikel "parametrische Fluoreszenz".

[4] Zu möglichen Anwendungen der SPDC-Methode heißt es: "In particular, polarization-entangled Einstein–Podolsky–Rosen (EPR) pairs are often used as the basic blocks for generating multi-photon entangled states or as resources for performing quantum teleportation tasks." In: Huang, YF., Liu, BH., Peng, L. et al. Experimental generation of an eight-photon Greenberger–Horne–Zeilinger state. Nat Commun 2, 546 (2011). Online: https://doi.org/10.1038/ncomms1556

[5] Weitere Beispiele für Anwendungen wie Quantencomputer, Teleportation und Kryptographie: "Another interesting application might be cluster-state quantum computing where the polarization and spatial degree of freedom increases the amount of encoded qubits per photon. The generated states could be used for teleportation of complex structures and might be advantageous if information in several degrees of freedom needs to be encoded on a single photon. Furthermore, the novel features of these hybrid entangled states might improve quantum cryptographic schemes." In: Robert Fickler, Radek Lapkiewicz, Sven Ramelow, Anton Zeilinger: Quantum entanglement of complex photon polarization patterns in vector beams. Phys. Rev. A 89, 060301(R) – Published 11 June, 2014. Online: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.060301

[6] Mit der SPDC Anordnung kann auch eine Verletzung der Bellschen Ungleichung erzeugt werden: "Our experimental system, [...] consists of a β-Barium Borate (BBO) crystal pumped by a quasi-continuous laser at 355 nm, thereby generating spatially entangled pairs of photons at 710 nm through the process of spontaneous parametric down-conversion (SPDC)." Und: "As discussed, our demonstration is not exempt of loopholes, but these loopholes could potentially be technically addressed and closed." In: Moreau PA, Toninelli E, Gregory T, Aspden RS, Morris PA, Padgett MJ. Imaging Bell-type nonlocal behavior. Sci Adv. 2019 Jul 12;5(7):eaaw2563. Die Verletzung der Bellschen Ungleichung hat tiefgreifende philosophische Folgen: die Welt kann nicht gleichzeitig lokal sein und im physikalischen Sinn realistisch existieren. Siehe dazu auch Bellsche Ungleichung ↗