24.10.2018

Quantenrepeater für die Langstrecke

Halbleiterquantenpunkte mit Quanten-Frequenzkonverter kombiniert.

Ein Quantennetzwerk basiert auf der Übertragung einzelner Photonen, die als „mobile“ Quanten­bits dienen. Die Wahr­scheinlichkeit, dass ein solches Licht­teilchen beim Empfänger ankommt, sinkt grund­sätzlich mit steigender Glas­faser­strecke. Um Daten über Distanzen von wenigstens zehn bis hundert Kilometern austauschen zu können, müssen die Licht­teilchen deshalb eine bestimmte Wellen­länge besitzen. Doch selbst dann sind für ein kontinentales Netz­werk Stationen nötig, in denen das Signal wieder­holt beziehungs­weise aufbereitet wird. Diese Quanten­repeater unter­scheiden sich allerdings grund­legend von Signal­verstärkern der klassischen Kommunikations­technik.

Abb.: Emission einzelner Licht­teilchen von räumlich getrennten Quanten­punkten. Die Licht­teilchen werden mit Hilfe von Kristallen und starkem Laser­licht in ihrer Wellen­länge verändert. (Bild: U. Stuttgart / Kolatschek)

Quantenrepeater müssen die Teil­strecken mithilfe von Quanten­effekten über­brücken. Sie basieren auf der Inter­ferenz einzelner Licht­teilchen, die von räumlich voneinander entfernten, unabhängigen Emittern ausgesendet werden. „In unserem Fall verwenden wir Halb­leiter­nano­strukturen als Emitter der Licht­teilchen. Sie haben den Vorteil, dass sie mit rekord­verdächtiger Rate Photonen aussenden“, erklärt Jonas Weber, der im Projekt für die Erzeugung und Inter­ferenz der Photonen zuständig war. „Das ist wichtig für eine schnelle Daten­übertragung“, so der Doktorand am Institut für Halb­leiter­optik und funktionelle Grenz­flächen (IHFG) der Universität Stuttgart.

Die gängigen Nanostrukturen, auch Quanten­punkte genannt, senden jedoch meist Licht­teilchen aus, deren Wellen­länge nicht auf die Übertragung mit Glas­fasern angepasst ist. Um die vielen Vorzüge von Quanten­punkten dennoch nutzbar zu machen, wurden von der Arbeits­gruppe Quanten­optik um Christoph Becher der Universität des Saar­landes zwei unabhängige Quanten-Frequenz­konverter aufgebaut. Diese Konverter enthalten spezielle Kristalle. Über­lagert man in ihnen die einzelnen Licht­teilchen mit starkem Laser­licht, so lässt sich deren Wellen­länge manipulieren. „Erst dann können die Licht­teilchen über die angepeilten zehn bis hundert Kilometer Glas­faser­strecke über­tragen werden. Ohne diese Vorbereitung müsste man in Ein-Kilometer-Abständen Signal­verstärker aufbauen. Das wäre wohl nicht realisierbar“, meint Benjamin Kambs, der als Doktorand in der Arbeits­gruppe von Christoph Becher maßgeblich an der Entwicklung der beiden Frequenz­konverter beteiligt war.

Die Physiker konnten nun zeigen, dass man trotz der nötigen Manipulation den elementaren Quanten­effekt noch beobachten kann. So wurden die einzelnen Licht­teilchen durch eine Zwei-Kilometer-Glas­faser­strecke gesendet und danach erfolgreich zur Inter­ferenz gebracht. Das ist nicht selbst­verständlich angesichts der im Allgemeinen extrem fragilen Natur von Quanten­zuständen.

„Dieses sehr komplexe Experiment konnte nur aufgrund der lang­jährigen Kollaboration der Universitäten Stuttgart und des Saarlandes und nur in sehr guter Team­arbeit erfolgreich sein. Es zeigt, dass Halb­leiter­quanten­punkte in Kombination mit Quanten­frequenz­konversion eine veritable Platt­form für Quanten­repeater darstellen.“, so der Leiter des IHFG, Peter Michler.

U. Stuttgart / DE

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