In zwei Sekunden um die Welt

Ultradünne Glasfasern, an die lasergekühlte Atome angekoppelt werden, eignen sich hervorragend für Anwendungen der Quantenkommunikation. Wissenschaftler der TU Wien konnten nun in Experimenten solche Glasfaser-Quantenzustände lange genug speichern, um Atome über eine Distanz von mehreren hundert Kilometern miteinander quantenmechanisch zu verschränken. Damit ist ein Grundbaustein für ein globales Glasfaser-Quantenkommunikationsnetz geschaffen.

„In unserem Experiment verbinden wir zwei unterschiedliche quantenphysikalische Systeme“, erklärt Arno Rauschenbeutel von der TU Wien. „Einerseits nutzen wir Licht in Glasfaserkabeln, über die man Quanteninformation hervorragend transportieren kann, und andererseits Atome, mit denen man die Information sehr gut speichern kann.“

Die Forscher hielten die Atome etwa 200 Nanometer entfernt von einer Glasfaser fest, die selbst nur 500 Nanometer dick ist. Dadurch lässt sich eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen erreichen. So ist es möglich, Quanteninformation zwischen den beiden Systemen auszutauschen. Dieser Austausch ist die Grundlage für Technologien wie Quantenkryptographie und Quantenteleportation.

Derzeit gibt es unterschiedliche Ideen für Systeme, die sich für quantenmechanische Operationen und für Quanteninformationsaustausch zwischen Licht und materiellen Speichern nutzen lassen. Bei den meisten von ihnen ist es allerdings schwierig, Information effizient hineinzubringen und wieder herauszulesen. Bei der an der TU Wien entwickelten Technologie allerdings ist genau dieser Schritt sehr einfach: „Ein ganz normales Glasfaserkabel, wie man es schon heute zur Datenübertragung verwendet, wird in den Versuchsaufbau hinein und wieder herausgeführt“, erläutert Rauschenbeutel. „Unser Quanten-Glasfaserkabel lässt sich also direkt in schon bestehende Glasfasernetze einfügen.“

Die Forschungsgruppe hat bereits in der Vergangenheit gezeigt, dass sich Atome kontrolliert und effizient an die Glasfaser ankoppeln lassen. Unbeantwortet war bisher allerdings noch die Frage, ob Quanteninformation in den Atomen auch lange genug gespeichert werden kann, um eine quantenphysikalische Übertragung über lange Strecken zu ermöglichen. Nach einer gewissen Zeit geben die Atome nämlich ihre eingeschriebene Information an die Umgebung ab.

„Durch einige spezielle Tricks ist es uns gelungen, die Kohärenzzeit der Atome trotz des kleinen Abstands zur Glasfaser auf mehrere Millisekunden zu verlängern“, sagt Rauschenbeutel. In einer Millisekunde bewegt sich Licht in Glasfasern etwa 200 Kilometer weit – in dieser Größenordnung liegt daher die maximale Distanz, die auf diese Weise durch Verschränkung von Atomen überbrückt werden könnte. Um die Erde zu umrunden bräuchte Glasfaser-geführtes Licht also  200 Millisekunden. Allerdings ist für die Geschwindigkeit der Übertragung von Quanteninformation nicht nur die Geschwindigkeit des Lichts in der Glasfaser entscheidend. „Der Aufbau von Verschränkung über Distanzen, die größer sind, als was mit direkter Faserübertragung überbrückt werden kann, benötigt Quantenrepeater. Bei deren Implementierung müssen manche Fasersegmente aber mehrfach von Licht durchlaufen werden, so dass sich die Übertragungsgeschwindigkeit verringert", führt Rauschenbeutel weiter aus. Am Ende dauert es vielleicht zwei Sekunden, um Quanteninformation einmal um die Welt zu schicken.

Dabei reicht es in der Quantenphysik nicht, das Signal einfach zu verstärken, trotzdem lassen sich solche Quantenrepeater bauen. „Wenn man mit unseren Glasfaser-Atom-Systemen ein optisches Quantennetzwerk mit Repeater-Stationen aufbaut, dann könnte man rund um die Welt Quanteninformation übertragen und Quantenzustände teleportieren“, ist  Rauschenbeutel zuversichtlich.

TU Wien / AH