Die Forschungsergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Optics Express veröffentlicht.
Auf die Frage „Wie viel Information lässt sich mit nur einem Photon übertragen?“ würden die meisten Wissenschaftler antworten: „Ein wenig“ (eine 1 oder eine 0). Theoretisch ist die Informationsmenge, die mit einem einzelnen Photon übertragen werden kann, jedoch unbegrenzt. In der Praxis gibt es allerdings viele Faktoren, die die Informationsmenge pro Photon begrenzen. Forschern der Universität Twente ist es nun mithilfe einer innovativen Methode gelungen, nicht weniger als 10,5 Bit Information mit einem einzigen Lichtteilchen zu übertragen.
Methode:
Professor Pepijn Pinkse, einer der beteiligten Forscher, erklärt die Funktionsweise des Systems: „Man kann es sich wie die Helligkeit eines Laserpointers auf Buchstaben auf einer Platte vorstellen. Der beleuchtete Buchstabe repräsentiert die Information im Licht des Laserpointers. Die Anzahl der Buchstaben auf der Platte bestimmt die Informationsmenge, die mit dem Licht übertragen werden kann.“ Der Hauptunterschied besteht darin, dass Professor Pinkse und sein Team ein Alphabet mit 9.072 Zeichen entwickelten und – anders als beim Laserpointer – die Information mit einem einzelnen Photon übertrugen. Dies war die zentrale Herausforderung der Studie: die Einzelphotonendetektion. Denn Rauschen (zufällige Photonen) kann die Messung verhindern. Die Forscher entwickelten einen cleveren Trick, um jegliches Rauschen zu eliminieren. Sie nutzten die Tatsache, dass sich einzelne blaue Photonen in genau zwei rote Photonen aufspalten lassen. Das erste Photon sendete ein Signal an den Detektor (vergleichbar mit einer Digitalkamera), der anschließend kurz geöffnet wurde. Mithilfe eines Spiegels wurde das zweite Photon auf den gewünschten Buchstaben des speziell entwickelten Alphabets gelenkt. Sie zwangen das Photon jedoch zu einem kleinen Umweg, sodass es den Zielbuchstaben genau in dem Moment erreichte, als sich der Detektor öffnete. Nur in diesem Moment konnten die Photonen in den Detektor gelangen. Auf diese Weise gelang es den Forschern, das Rauschen zu eliminieren.
Laut Pinkse ist es praktisch schwierig, die maximale Informationsmenge anzugeben, die mit einem einzelnen Photon übertragen werden kann. „Mit unserer Methode gibt es theoretisch keine Grenze für die übertragbare Informationsmenge. Sie hängt von der Größe des verwendeten Alphabets ab. Selbst wenn man ein Alphabet mit so vielen Zeichen wie Atomen im gesamten Universum erstellen könnte, ließen sich maximal 270 Bit mit einem Photon übertragen.“.
