Quantennetzwerk für verschränkte Lichtteilchen

Mit Hilfe der Quantenkryptografie könnten in Zukunft digitale Daten absolut sicher übermittelt werden. Auf dem noch langen Weg hin zu einem globalen Quantennetzwerk gelang nun einer Physikergruppe von der University of Science and Technology in Shanghai ein weiterer Schritt voran. Sie übertrugen miteinander verschränkte Photonen über eine Strecke von etwa 100 Kilometern quer durch die Luft über dem Qinghai-See. Im Unterschied zu früheren Experimenten dieser Art standen den Lichtteilchen allerdings zwei verschiedene Wege zur Verfügung.

Bereits vor fünf Jahren gelang österreichischen Forschern in einem ähnlichen Versuch, miteinander verschränkte Photonen über einen Laserstrahl zwischen den Kanareninseln Teneriffa und La Palma zu koppeln. Die Entfernung dieser Punkt-zu-Punkt-Verbindung war damals mit 144 Kilometern zwar größer, doch nun konnten Jian-Wei Pan und Kollegen insgesamt drei Empfangs-, Receiver und Sendestationen miteinander verknüpfen. Eine solche rudimentäre Vernetzung von Kanälen für Quanteninformation bildet die Grundlage für komplexere, erdumspannende Kommunikationssysteme, bei denen verschränkte Lichtteilchen auch über Satelliten geleitet werden könnten.

Erzeugt wurden die quantenmechanisch gekoppelten Photonen über die Wechselwirkung eines Lasers mit einem Bariumborat-Kristall. Dabei entstand ein Paar von Lichtteilchen mit eng verknüpften physikalischen Eigenschaften. So hing die Polarisation eines Photons direkt mit der Polarisation des anderen Lichtteilchens zusammen. Wurde der Zustand eines Photons gemessen, lag damit zugleich auch der Zustand des anderen, etwa 100 Kilometer entfernten Photons fest. Genau dieses Verhalten ermöglicht eine perfekte Absicherung gegen unerlaubten Zugriff auf digitale Daten. Denn wenn ein Unbefugter versuchen sollte, ein verschränktes Photon auszulesen, wird dieser Angriff über das andere gekoppelte Photon vom Sender unmittelbar erkannt. Ein Verschlüsselungcode, der über verschränkte Photonen gesendet wird, behält dann nur seine Gültigkeit, wenn kein unbefugter Zugriff erfolgte.

Mit ihrem komplexen Aufbau aus Lasern, Teleskopen für den Empfang der Laserpulse und Photonendetektoren schafften es Jian-Wei Pan und Kollegen auch, bis zu sechs verschiedene Polarisationszustände – horizontal, vertikal und vier weitere Kombinationen daraus – durch die verschränkten Photonenpaare zu übermitteln. Innerhalb von vier Stunden identifizierten sie 1171 Photonenpaare, die trotz einer Entfernung von 97 Kilometern miteinander verschränkt waren.

Zwar schafften es Physiker schon in früheren Versuchen, verschränkte Photonen mit mehreren Polarisationszuständen über ein verzweigtes Netzwerk aus Glasfasern zu übermitteln. Doch büßen die Laserpulse in diesen Laborsystemen bisher zu rasch an Intensität ein, um weite Strecken ohne Verstärker überbrücken zu können. Diesen Nachteil für den Transport von Quanteninformation zeigen Laser-Kanäle durch die Luft dagegen kaum.

Jan Oliver Löfken

PH