Ein stabiler Quanten-Repeater

Wissenschaftlern aus Heidelberg, China und Wien ist ein weiterer großer Schritt auf dem Weg zur Realisierung von Quantenkommunikation über große Distanzen gelungen.

Wissenschaftlern der Universität Heidelberg, der University of Science and Technology of China und der TU Wien ist ein weiterer großer Schritt auf dem Weg zur Realisierung von Quantenkommunikation über große Distanzen gelungen. In ihren Experimenten konnten sie einen stabilen "Quanten-Repeater" (in etwa: Quanten-Umsetzer) realisieren, der das Potenzial hat, in zukünftigen Quantenkommunikations-Netzwerken als zentraler Baustein zu dienen.

Will man Daten über große Entfernungen übertragen, muss man der unvermeidbaren Abschwächung durch Verstärkung des übermittelten Signals entgegenwirken. Diese Regeneration des übermittelten Signals wird bei klassischer Kommunikation in so genannten Repeaterstationen durchgeführt. Wenn Quanteninformation übermittelt werden soll, verhindern die gleichen fundamentalen Prinzipien der Quantenphysik, die Quantenkommunikation absolut sicher machen, eine solche Verstärkung, ohne dass dabei die übermittelte Information verloren geht.

Im Wissenschaftsmagazin "Nature" berichten Jian-Wei Pan und seine Kollegen über die Realisierung eines stabilen Quantenrepeaters, und demonstrieren erstmalig einen Verschränkungs-Austausch mit dem Speichern und Auslesen von Licht. In dem Experiment wurde Quantenverschränkung, ein essentieller Bestandteil von Quanteninformationsverarbeitung, zwischen zwei räumlich getrennten, durch ein 300 Meter langes Glasfaserkabel verbundenen Atomensembles erzeugt. Die gespeicherten verschränkten Quantenzustände wurden nach einer festgelegten Speicherzeit auf Photonen übertragen und dadurch verifiziert.

Abb.: In einem Quantennetzwerk befinden sich zwei benachbarte Atomensembles, die als Kommunikationsknoten dienen und jeweils mit einzelnen Photonen verschränkt sind. Die ultrakalten Atome, die als Quantenspeicher dienen, werden mittels Laserlichtkühlung durch magneto-optische Fallen in ultrahochvakuumtauglichen Glaszellen bereit gestellt. Die beiden Ensembles werden in einen gemeinsamen verschränkten Zustand überführt, indem eine gemeinsame Bell-Zustandsmessung an den beiden Einzelphotonen stattfindet. Der verschränkte Zustand der Atomensembles kann für weitere Verbindungen wieder ausgelesen werden. Der Helligkeitsverlauf der roten Lichtleiter gibt den Photonenverlust wieder. Der Glaswürfel ist ein so genannter polarisierender Strahlteiler (PBS), der für die kollektive Bell-Messung benötigt wird. (Grafik: Julia Gless)

Der sichere Austausch von Information ist ein wichtiger Eckpfeiler unserer Informationsgesellschaft. Quantenkommunikation, die Übermittlung von Daten codiert in Quantenbits, basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und bietet eine effiziente und absolut sichere Methode, Informationen in einem Netzwerk auszutauschen. Zurzeit beschränken unvermeidbare Verluste (Absorption der Photonen im Kommunikationskanal) die Reichweite von Quantenkommunikation. Daher wächst die Anzahl der benötigten Ressourcen exponentiell mit der Distanz.

Um dieses Problem zu lösen, schlugen 1998 Briegel, Dür, Cirac und Zoller (BDCZ) vor, Quantenrepeater zu bauen. Die Grundidee dabei ist, den Kommunikationskanal in mehrere kurze Segmente zu unterteilen. Die Verschränkung wird nun zuerst in hoher Qualität in den kurzen Segmenten aufgebaut. Anschließend werden diese durch einen so genannten Verschränkungstausch verbunden. Die benötigten Ressourcen dieses Quantenkommunikationsprotokolls wachsen deutlich langsamer mit zunehmender Kommunikationsdistanz als bei früheren Protokollen und sind damit praktisch umsetzbar. Dies setzt voraus, dass die in den Zwischenstufen erzeugte Verschränkung in einem Quantenspeicher konserviert werden kann.

In der Verbindung des BDCZ-Protokolls mit Quantenspeichern liegt die zentrale Herausforderung. Dies wurde innerhalb dieser Arbeit durch die Realisierung eines funktionellen BDCZ-Quantenrepeaters erfolgreich demonstriert.

Im Experiment werden zuerst zwei Ensembles von je einer Million ultrakalter Atome mit einer Temperatur von 100 MikroKelvin (-273,15 °C) in zwei magneto-optischen Fallen erzeugt. In jedem Ensemble wird dann durch einen Raman-Streuprozess ein gemeinsamer Quantenzustand der Atome mit jeweils einem Photon verschränkt. Im Folgenden werden die Ensembles in einen verschränkten Zustand überführt, indem eine gemeinsame Bell-Zustandsmessung an den beiden einzelnen Photonen durchgeführt wird, der so genannte Verschränkungstausch. Dazu werden diese Photonen zuvor durch eine 300 Meter lange Glasfaser geleitet. Die so erzeugte Verschränkung ist nun in den Atomen gespeichert und kann später ausgelesen, verifiziert und weiter verwendet werden, indem man den atomaren Quantenzustand wieder auf neue Photonen überträgt.

Die hier demonstrierte Methode, Verschränkung durch eine gemeinsame Bell-Messung an den Photonen zu erzeugen, ist intrinsisch robust; im speziellen ist sie unabhängig von deren Phase, und deswegen kaum empfindlich auf Längenänderungen im Kommunikationskanal. Dies ist essentiell, um Verschränkung und Verschränkungsverbindung zwischen Quantenspeichern über lange Strecken zu ermöglichen, beides zentrale Elemente eines funktionstüchtigen Quantenrepeaters mit stationären atomaren QuBits als Quantenspeicher und fliegenden photonischen QuBits als Quanten-Nachrichtenträger.

Die Autoren gehen davon aus, dass die experimentell demonstrierten Elemente zu einem Quantennetzwerk erweitert werden können; für eine robuste Anwendung müssen aber Qualität des Quantenspeichers und Atom-Photon-Verschränkung noch signifikant verbessert werden.

Quelle: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg