Schnellere und stabilere Quantenkommunikation

Quantenkommunikation basiert darauf, dass sich die Kommunikations­partner verschränkte Photonen teilen. Das Problem: Solche Systeme sind nicht so stabil, wie es die Forscher gern hätten. „Über lange Distanzen kann Information verloren gehen, weil es immer ein Hinter­grund­rauschen gibt, zum Beispiel durch Photonen von der Sonne“, erklärt Marcus Huber vom Wiener Institut für Quanten­optik und Quanten­information. Dadurch sind sowohl der Bandbreite als auch der Sicherheit solcher Kommunikations­kanäle in der Praxis Grenzen gesetzt. Huber und seinen Kollegen einer inter­nationalen Forschungs­gruppe haben jetzt einen Ansatz entwickelt, mit dem sich diese Grenzen überwinden lassen. Es gelang ihnen, hoch­dimen­sionale Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen herzu­stellen und zu überprüfen. Damit lässt sich schneller und sicherer kommunizieren.

Die einfachste Art der Verschränkung hat zwei Dimensionen und wird oft über die Polarisation von Photonen realisiert. Wenn eine Hälfte eines verschränkten Paares horizontal polarisiert gemessen wird, ist das andere Photon dann immer vertikal polarisiert. Neben der Polarisation eignen sich aber auch andere Eigen­schaften der Photonen, um Verschränkung zu realisieren. „Die räumliche Struktur von Photonen lässt sich vereinfacht gesagt messen, indem wir Fotos machen“, so Huber. „Wir teilen eine Art Bildsensor nach einem speziellen Muster in 97 Pixel ein und messen, wo die Photonen auftreffen. So können wir ein Photonen­paar in 97 Dimensionen verschränken. Die beiden Photonen eines Paares treffen dann immer im selben Pixel ein.”

Dem Team gelang nicht nur nicht die Herstellung von hoch­dimen­sionalen Verschränkungen, sondern auch deren verlässliche Überprüfung. „Wir können eine Verschränkung in 19 Dimensionen in etwa dreieinhalb Minuten überprüfen“, sagt Team-Mitglied Nicolai Friis. „Das ist etwa hundert Mal schneller als bisher. Zudem konnten wir Verschränkung in 55 Dimensionen nachweisen, das ist ebenfalls ein Rekord.”

Die Bandbreite steigt mit zunehmender Dimension der Verschränkung an, aber nicht linear. Bei einer Verschränkung in zwei Dimensionen lassen sich pro Photon 0,7 bis 0,8 Bit übertragen. „Ein in 16 Dimensionen verschränktes Photonenpaar kann so viel Information übertragen, wie vier Paare in zwei Dimensionen. Das hängt aber auch von den externen Umständen ab, weil es immer Störungen in Luft, Kabeln oder anderen Über­tragungs­wegen gibt”, so Friis.

Die Zahl der Dimensionen, in denen ein Photonenpaar sich verschränken lässt, ist nach oben hin praktisch unbegrenzt. „Die räumliche Struktur eines Photons ist im Prinzip unendlich-dimensional und in unserem Experiment nur durch die Auflösung des Pixel­sensors begrenzt. Verifizieren konnten wir die Verschränkung bislang für 55 Dimensionen”, sagt Huber. Praktisch realisierbar könnten in Zukunft Photonen­paare werden, die zehn bis hundert Mal so viel Information tragen wie zwei­dimensional verschränkte Systeme. Je mehr Dimensionen die Verschränkung hat, desto widerstands­fähiger wird sie zudem gegen Hinter­grund­rauschen und Informations­verluste. Wie viel Information ein einzelnes Photon theoretisch mit sich tragen kann, ist eine offene Frage. Mit den jetzt gewonnenen Erkenntnissen steigt die praktisch nutzbare Bandbreite jedenfalls deutlich.

ÖAW / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. Herrera Valencia et al.: High-Dimensional Pixel Entanglement: Efficient Generation and Certification, Quantum 4, 376 (2020); DOI: 10.22331/q-2020-12-24-376
• Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Wien, Österreich