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Physik für ein Quanten-Internet Rekord: Verschränkung von Quantenspeichern

Quelle: Pressemitteilung

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Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und der Universität des Saarlandes haben zwei Quantenspeicher über die bislang längste Distanz von 33 Kilometern über ein Glasfaserkabel miteinander verschränkt. Damit die vermittelnden Photonen in der Glasfaser nicht verloren gehen, erhöhten die Forscher deren Wellenlänge auf einen auch in der Telekommunikation verwendeten Wert.

Bislang war der Nachweis einer gelungenen Verschränkung auf Faserlängen bis zu 1,7 Kilometer möglich; die Forscher der LMU und der Universität des Saarlands brachten es auf 33 Kilomeneter.
Bislang war der Nachweis einer gelungenen Verschränkung auf Faserlängen bis zu 1,7 Kilometer möglich; die Forscher der LMU und der Universität des Saarlands brachten es auf 33 Kilomeneter.
(Bild: © Jan Greune /LMU )

Nach Ansicht der Forscher stellt dieses Experiment einen wichtigen Schritt hin zu einem Quanten-Internet dar, in dem zum Beispiel eine vollkommen sichere Kommunikation möglich ist.

Ein Netzwerk, in dem die Datenübertragung völlig sicher vor Hackerangriffen ist?

Wenn es nach Physikern geht, soll genau das mit Hilfe des quantenmechanischen Phänomens der Verschränkung irgendwann Realität werden. Berühmt ist die Verschränkung in dem ersten Satellit-zum-Boden-Quantennetzwerk mithilfe des chinesischen Satelliten „Micius“. Die Forscher aus Fernost haben vor Jahren ein Photon vom Boden in den Orbit quasi teleportiert.

Doch nun hat ein Team um den LMU-Quantenphysiker Professor Harald Weinfurter und den Quantenoptiker Professor Christoph Becher von der Universität des Saarlandes zwei atomare Quantenspeicher über eine 33 Kilometer lange Glasfaserverbindung gekoppelt. Das ist die bislang längste Strecke, über die eine quantenmechanische Verschränkung mittels eines Telekommunikationskabels gelang.

Die Verschränkung wird dabei über ausgesendete Lichtteilchen vermittelt. Um die Verluste über lange Glasfaserkabel niedrig zu halten, konvertierten die Forscher dazu die Wellenlänge der Lichtteilchen auf einen Wert, wie er auch in der Telekommunikation verwendet wird.

Generell bestehen Quantennetzwerke aus Knotenpunkten einzelner Quantenspeicher – etwa Atomen oder Ionen. Dort können Quantenzustände empfangen, gespeichert und versendet werden. Die Vermittlung zwischen den Knoten erfolgt durch Lichtteilchen, die entweder über die Luft oder gezielt über Glasfaserverbindungen ausgetauscht werden.

Das Experiment

Für ihr Experiment nutzen die Forscher ein System aus zwei optisch gefangenen Rubidiumatomen. Ein Laserpuls regt die Atome an, wonach sie spontan in ihren Grundzustand zurückfallen und dabei jeweils ein Photon aussenden. Eine Messung beider Lichtteilchen lässt sich schließlich nutzen, um die beiden Atome quantenmechanisch zu koppeln – auch über lange Glasfaserkabel.

Allerdings emittieren die meisten Quantenspeicher Licht mit Wellenlängen im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich. In Glasfasern kommen diese Photonen nur ein paar Kilometer weit, bevor sie verloren gehen.

Die gemeinsame Nutzung der Verschränkung zwischen weit entfernten Quantensystemen ist ein entscheidender Faktor für die Realisierung künftiger Quantennetzwerke. Photonen sind das Mittel der Wahl, um die Verschränkungsverteilung zu vermitteln, typischerweise entweder durch kontrollierte Licht-Materie-Wechselwirkung mit lokalen Speichern oder, wie auch hier verwendet, durch Verschränkungsaustausch zwischen zwei Paaren verschränkter Photonen-Speicherzustände.
Die gemeinsame Nutzung der Verschränkung zwischen weit entfernten Quantensystemen ist ein entscheidender Faktor für die Realisierung künftiger Quantennetzwerke. Photonen sind das Mittel der Wahl, um die Verschränkungsverteilung zu vermitteln, typischerweise entweder durch kontrollierte Licht-Materie-Wechselwirkung mit lokalen Speichern oder, wie auch hier verwendet, durch Verschränkungsaustausch zwischen zwei Paaren verschränkter Photonen-Speicherzustände.
(Bild: © Jan Greune /LMU )

Mit einem so genannten Quanten-Frequenzkonverter erhöhten die Forscher daher die ursprüngliche Wellenlänge auf eine, bei der eine deutlich verlustärmere Übertragung möglich ist. Die Umwandlung gelang mit einer bisher unerreichten Effizienz von 57 Prozent, während gleichzeitig die in den Photonen gespeicherten Informationen mit hoher Güte erhalten blieben.

Die Forscher denken, dass das entwickelte System für den Aufbau groß angelegter Quantennetze und für die Umsetzung sicherer Quantenkommunikationsprotokolle genutzt werden könnte. „Das Experiment ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet auf Basis bereits bestehender Glasfaserinfrastrukturen“, sagt Professor Weinfurter.

Mehr dazu: Tim van Leent, Matthias Bock, Florian Fertig, Robert Garthoff, Sebastian Eppelt, Yiru Zhou, Pooja Malik, Matthias Seubert, Tobias Bauer, Wenjamin Rosenfeld, Wei Zhang, Christoph Becher, Harald Weinfurter: „Entangling single atoms over 33 km telecom fibre“, Nature, 2022.

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