Das geschieht in Geräten, die man auch Konverter nennt. Man kennt zwei Prozesse, mit denen quasi oder wirklich gleichzeitig 2 korrelierte Photonen (verschränkte Photonen, Zwei-Photonen-Zustände, Biphotonen, Photonenzwillinge) erzeugt werden können:

Kaskadenprozess: Ein einfallendes Photon höherer Energie (oder zwei Photonen) regt ein Atom an in einen Zustand mit der Energie E1. Das Atom geht dann in einen Zwischenzustand mit der Energie E2 über, wobei ein Photon der Energie E1- E2 ausgesandt wird. Dann geht es in den Grundzustand E0 über, wobei ein Photon der Energie E2 - E0 ausgesandt wird. Das beteiligte Atom wird so ausgesucht, dass der Zwischenzustand mit der Energie E2 und der Zustand mit der Energie E1 eine sehr kurze Lebensdauer haben, und dass die beiden Photonen etwa gleiche Energie haben. Häufig wird ein Ca-Atom in einem Calcit-Kristall verwendet. Beide Photonen haben dann gleiche Polarisation

• parametrische Fluoreszenz (parametrischer Down-Converter): Bestimmte Kristalle verhalten sich nichtlinear, d.h. es ist möglich, dass 3 Wellen miteinander wechselwirken, eine "Pumpwelle", eine "Signalwelle" und eine "Idlerwelle" (engl. idler = Mitläufer), wobei Energie- und Impulserhaltung erfüllt sein müssen, also
• • (1) h·f_p = h·f_s + h·f_i
  • (2) p_p  = p_s + p_i               (was sich dann auch in den entsprechenden Wellenzahlvektoren k gemäß p = h·k /2·π ausdrückt).

• Man kann sich vorstellen, dass Vakuumfluktuationen dafür verantwortlich sind, dass auch dann, wenn nur die Pumpwelle eingestrahlt wird, gemäß der gleichen Beziehungen eine Signal- und eine Idlerwelle entstehen. Gemäß (2) haben Signal- und Idlerwelle voneinander verschiedene Ausbreitungsrichtungen längs zweier Kegel mit dem parametrischen Kristall als Zentrum. Alle Kombinationen für Signal- und eine Idlerwelle werden ausgesandt, die mit den beiden Bedingungen vereinbar sind.
• Wegen (2) können die Richtungen der Photonen in Idlerwelle ( p_i ) und Signalwelle ( p_s ) nicht übereinstimmen mit der Richtung der primären Photonen ( p_p ). Die möglichen Richtungen sind durch einen oder zwei Kegel bestimmt.

Strahlt man  bei einer bestimmten Kristallorientierung also UV-Licht ein, so erhält man verschiedenfarbige Kegel, auf denen sich die Signal- und Idlerwelle ausbreiten. Die Richtungen werden für eine Farbe (Wellenlänge) durch zwei Kegel mit dem Kristall als Zentrum gebildet. In jeder der beiden Schnittgeraden beider Kegel entsteht die Situation, dass beide Wellen gleiche Energie (Frequenz, Wellenlänge) und Impuls (Ausbreitungsrichtung, Wellenzahlvektor) haben. Das ist also die Situation, bei der man aus einem Photon zwei Photonen mit exakt der halben Energie gemacht hat, die leicht divergent abgestrahlt werden. Sie haben un-be-stimmte Polarisation (Messwerte streuen statistisch); aber wenn das eine Photon horizontal polarisiert ist, muss das andere vertikal polarisiert sein (Typ II-Konversion). Die bei der parametrischen Fluoreszenz erzeugten Photonen sind stark miteinander korreliert hinsichtlich Impuls (Richtung), Energie (Frequenz des zugehörigen Lichts) und Polarisation. Gerade deshalb sind sie für bestimmte Versuche bestens geeignet. (Der Öffnungswinkel der Kegel - typisch ca. 30 - hängt vom Winkel zwischen der optischen Achse des doppelbrechenden Kristalls und der Richtung der einfallenden Photonen ab. Die Ausbeute ist gering - nur die Schnittgeraden der Kegel sind nutzbar. Deshalb ist die Apparatur auch schwer zu justieren)

• Man kennt verschiedene Materialien, die als "parametrische Verstärker" oder "parametrische Oszillatoren" geeignet sind: BBO (Beta-Barium-Borat), KDP (Kalium-Deuterium-Phosphat) und LiNbO3 (Lithium-Niobat). Diese Kristalle sind doppelbrechend, d.h. bei bestimmter Orientierung ist es möglich, dass Signal- und Idlerphoton unterschiedliche Polarisation haben.
• Auch durch parametrische Fluoreszenz entsteht eine Art kohärenter Strahlung, aber anders als beim Laser ohne Besetzungsinversion.

Solche "verschränkten" (entangled) Photonenpaare entstehen allerdings bei der Methode oben sehr selten. Auf 10¹² einfallende Photonen kommt typischerweise 1 verschränktes Photonenpaar. 1999 veröffentlichten Kwiat et al. eine deutlich hellere Quelle für verschränkte Photonenpaare. Der einfallende Laserstrahl tritt dabei durch zwei dünne unterschiedliche orientierte Kristalle hindurch. Die beiden Kegel können dann für eine bestimmte Farbe quasi deckungsgleich gemacht werden mit einer gemeinsamen Achse, die durch den einfallenden Laserstrahl gegeben ist. Jeder Durchmesser durch die Kegel bestimmt dann ein verschränktes Photonenpaar, nicht nur die beiden Schnittgeraden wie bei der vorigen Methode. Misst man die Polarisation eines der beiden Photonen, liegt zugleich die Polarisation des anderen Photons fest (Typ I-Konversion).

Mit weiteren Maßnahmen, z.B. einem doppelbrechenden λ/2 Plättchen, kann man die Phase eines der Photonen verändern, so dass z.B. beide Photonen immer gleich (oder, in anderen Situationen, immer unterschiedlich) polarisiert sind. Welche Polarisationen sich einstellen, ist dem Zufall unterworfen. Gleiche Polarisation wird z.B. bei den nachfolgenden Versuchen vorausgesetzt.

Schaltet man nach Hong, Ou und Mandel ein Mach-Zehnder-Interferometer nach, kann man das entstehende verschränkte Photonenpaar auch zeitlich und räumlich korreliert erzeugen (Biphoton, Photonenzwilling).

Mit einer Zweiphotonenquelle für verschränkte Photonen können mit Geräten der Universität Erlangen (Prof. Dr. Meyn) verschiedene Experimente auch auf dem Bildschirm durchgeführt werden (Interaktive Bildschirmexperimente IBE): http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/quantumlab/

Kwiat, P.G. et al. , Ultrabright source of polarization-entangled photons, 1999, Physical Review A, Vol. 60 Nr. 2, R773

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