Kristalle für die Quantenkommunikation

Innerhalb des Projekts Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication QUREP, das die Europäische Kommission mit 1,9 Millionen Euro finanziert, gelangen Forschern aus Frankreich, Deutschland, Schweden und der Schweiz wichtige Schritte in Richtung eines Quantenrepeaters. Dieser ermöglicht, Quantensignale über größere Distanzen zu verbreiteten, so dass die Langstrecken-Quantenkommunikation ein Stück näher rückt.

Quantenkommunikation über kurze Distanzen wurde bereits nachgewiesen, aber die Möglichkeiten, verschränkte Photonen zuverlässig über größere Entfernungen zu trennen hatten bis jetzt gefehlt. Die QUREP-Forscher haben durch die Entwicklung von Schlüsselkomponenten eines Quantenrepeaters wichtige Schritte zur Lösung des Problems bewältigt. Ein Quantenrepeater ist vergleichbar mit den heute in der herkömmlichen Kommunikation verwendeten Repeatern, er soll ein eingehendes Signal verstärken und auf der anderen Seite wiederholen, so dass das Signal auf seinem Weg nicht an Stärke verliert.

„Quantenrepeater sind die elementaren Bausteine einer Langstrecken-Quantenkommunikation. Sie erfordern die Fähigkeit, eine Verschränkung über Dutzende von Kilometern zu verteilen, Quantenspeicher und -verschränkungsaustausch durch gemeinsame Messungen an zwei Photonen. Wir konzentrierten uns auf die Quantenspeicher, sie stellen die größte Herausforderung dar“, erklärt Nicolas Gisin, Gruppenleiter innerhalb des Bereichs angewandte Physik der Universität Genf. Die Ergebnisse seien srehr ermutigend, obwohl noch viel Arbeit zu leisten sei, bevor diese Technologie eine für die Industrialisierung geeignete Reife erreicht.

Das Team entwickelte Festkörper-Quantenspeicher aus mit Ionen seltener Erden dotierten Kristallen, die ein Photon auf der Eingangsseite des Signals absorbieren und ein neues Photon mit identischen Verschränkungseigenschaften auf der anderen Seite emittieren. „Die Bandbreite von Quantenspeichern stellt eine große Herausforderung dar“, so Gisin weiter. „Unsere Quantenspeicher haben, verglichen mit alternativen Ansätzen, eine relativ große Bandbreite. Trotzdem sind sie auf ein paar Hundert Megahertz (MHz) beschränkt. Daher war die Entwicklung von Quellen verschränkter Photonen mit kompatiblen Bandbreiten und hoher Stabilität eine unserer Herausforderungen. Indem wir diese überwanden, konnten wir die Verschränkung von zwei unserer Quantenspeicher zeigen.“

Bei Tests war das Team in der Lage, ein Signalphoton zum Speichern an den Kristall zu senden, während das spätere Photon zurückbehalten wurde. Das Signalphoton konnte dann in einem 50 Meter von der Gruppe für Angewandte Physik entfernten Labor erkannt werden; bei einer Messung zeigte sich mit absoluter Sicherheit das Messergebnis des späteren Photons. „Die Verwendung großer Gruppen von Ionen vereinfacht die Kopplung zwischen Photonen und Speicher sowohl zur Speicherung als auch zum Abruf beträchtlich. Und wir arbeiten bei etwa drei Kelvin, eine Temperatur die mit den besten supraleitenden Single-Photonen-Detektoren relativ leicht erreichbar ist“, erklärt Gisin. „Es gibt nicht viele Projekte, die die gesamte Technologie und das Knowhow vereinen, das erforderlich ist, um Quantenrepeater zu demonstrieren. Das QUREP-Projekt hat das auf jeden Fall geschafft.“

Aber bevor diese Technologie den Schritt aus dem Labor hin zu realen Anwendungen tun kann, sind noch wichtige Herausforderungen zu bewältigen. „Es werden noch längere Speicherzeiten (bis zu einer Sekunde), eine höhere Effizienz (bis zu 80 %) und noch bessere Signalquellen benötigt. Aber selbst dann müssen noch die technischen Schwierigkeiten bewältigt werden, damit alles zusammen funktioniert“, räumt Gisin ein. Um kommerzielle Anwendungen zu ermöglichen, sind nach dem QUREP-Koordinator eine Durchführbarkeitsdemonstration eines Quantenrepeaters zur direkten Kommunikation, sowie eine Feinanalyse für Vereinfachungen und die industrielle Umsetzung sowie niedrigere Entwicklungs- und Herstellungskosten erforderlich.

„Ich denke, das ist alles machbar, aber die Physiker werden noch eine Weile brauchen“, so Gisin weiter. „Die Kluft zwischen akademischer Forschung und industrieller Umsetzung ist enorm. Wir haben sicher einen großen Schritt zur Überbrückung dieser Kluft getan, aber es ist noch ein ähnlich großer Schritt erforderlich, bevor in einem technischen Projekt ein Produkt entwickelt werden kann. Beim ersten Schritt, den wir während des QUREP-Projekts bewältigt haben, haben wir die Herausforderungen genau erkannt, die noch überwunden werden müssen und hierfür erfolgversprechende Wege ermittelt.“

Cordis / OD