08.12.2025 • Quantenoptik / Photonik

Teleportation zwischen zwei Quantenpunkten gelungen

Quanten-Wifi: Polarisationszustand eines einzelnen Photons per Freiraumverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden auf ein anderes übertragen.

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Paderborn hat ein Novum auf dem Weg zum Quanteninternet erzielt: Zum ersten Mal ist es gelungen, den Polarisationszustand eines einzelnen Photons, das von einem Quantenpunkt ausgesendet wurde, auf ein Photon eines anderen – räumlich getrennten – Quantenpunkts zu teleportieren. Dieser Schritt ist besonders wichtig für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Bei ihren Experimenten haben die Forschenden eine 270 Meter lange Freiraumverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden genutzt.

Symbolbild: Quantenforschung an der Universität Paderborn

Scheme of the quantum teleportation protocol as implemented with two QDs over a network including a free-space link.

Über einen Zeitraum von rund drei Jahren hat sich ein Team aus Doktorand:innen und Postdocs der Universität Paderborn intensiv mit den optischen Messungen, der Datenauswertung und der Analyse beschäftigt. Die Paderborner Gruppe um Klaus Jöns arbeitete dabei eng mit dem Team von Rinaldo Trotta von der Sapienza Universität Rom zusammen. „Das Experiment zeigt eindrucksvoll, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten eine Schlüsseltechnologie für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke darstellen können. Die erfolgreiche Quantenteleportation zwischen zwei verschiedenen Quantenemittern ist ein wesentlicher Schritt in Richtung skalierbarer Quantenrelais und damit einer praktischen Umsetzung des Quanteninternets. Bisher stammten diese Photonen von ein und demselben Emitter. Die Nutzung verschiedener Quantenemitter zur Realisierung eines Quantenrelais zwischen voneinander entfernten Parteien war bis dato unerreichbar“, erklärt Jöns,

Bereits vor über zehn Jahren entwickelten Jöns und Trotta eine Roadmap, wie Quantenpunkte als Quellen verschränkter Photonenpaare für Quantenkommunikation und Teleportationsprotokolle eingesetzt werden können. „Dieses Ergebnis zeigt, dass unsere langfristige strategische Planung aufgegangen ist“, sagt Jöns und ergänzt: „Die Kombination aus exzellenter Materialwissenschaft, Nanofabrikation und optischer Quantentechnologie war der Schlüssel zum Erfolg.“

Dieser Erfolg beruht auf einem europaweiten Forschungsverbund: Die Quantenpunkte wurden an der Johannes-Kepler-Universität Linz mit höchster Präzision entwickelt. Die Nanofabrikation der Resonatoren erfolgte durch Partner an der Universität Würzburg. Forschende der Sapienza Universität Rom haben die Quantenteleportationsexperimente durchgeführt, einschließlich einer 270 Meter langen Freiraumverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden. GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und aktive Stabilisierungssysteme kompensierten dabei atmosphärische Turbulenzen. Die erreichte Teleportationsfidelität von 82 ± 1 %, also die Güte, in der die Quantenzustände bei der Teleportation erhalten bleiben, übertrifft den klassischen Grenzwert um mehr als zehn Standardabweichungen.

Mit diesem Erfolg wurde der Weg für die nächste große Etappe bereitet: die Demonstration eines „Entanglement-Swappings“ zwischen zwei Quantenpunkten. Dabei handelt es sich um das erste Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen verschränkter Photonenpaare. Zur Einordnung: Deterministische Quantenquellen erzeugen – quasi auf Knopfdruck – relativ verlässlich einzelne Photonen. Bislang war das mit größeren Herausforderungen verbunden.

Unabhängig und nahezu zeitgleich hat ein Forschungsteam aus Stuttgart und Saarbrücken unter Einsatz von Frequenzkonversion ein ähnliches Ergebnis erzielt (Link s. Kasten). Beide Arbeiten markieren gemeinsam einen wichtigen Meilenstein für die europäische Quantenforschung. [U Paderborn / dre]