24.05.2023

Turbo für das Quanteninternet

Erster Langstrecken-Quantenrepeater-Knoten für Telekommunikationsnetz realisiert.

Quantennetzwerke verbinden Quanten­prozessoren oder Quanten­sensoren miteinander. Dies ermöglicht absolut abhörsichere Kommuni­kation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke. Dabei wird die Quanten­information mittels Photonen über Glasfaser­leitungen zwischen den Knotenpunkten des Netzwerkes ausgetauscht. Über große Distanzen steigt aber die Wahrschein­lichkeit, dass Photonen verloren gehen. Weil Quanteninformation nicht einfach kopiert und verstärkt werden kann, haben Hans-Jürgen Briegel, Wolfgang Dür, Juan Ignacio Cirac und Peter Zoller vor 25 Jahren an der Universität Innsbruck dafür Quantenrepeater vorgeschlagen. Diese verfügen über Licht-Materie-Verschränkungs­quellen und Speicher zur Erzeugung von Verschränkung auf unabhängigen Netzwerk­verbindungen. Diese werden durch einen Verschränkungs­tausch miteinander verbunden. Auf diese Weise wird die Verschränkung über große Entfernungen verteilt.

Abb.: Um Quanten­informationen über lange Strecken übertragen zu können,...
Abb.: Um Quanten­informationen über lange Strecken übertragen zu können, braucht es solche Quanten­repeater, die Verschränkung über große Entfernungen verteilen. (Bild: H. Ritsch, U. Innsbruck)

Quantenphysikern um Ben Lanyon am Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, den grundlegenden Baustein von Quanten­repeatern zu bauen: ein voll funktionsfähiger Netzknoten, der die Verschränkungs­erzeugung mit einem Photon der Standard­frequenz des Telekommuni­kationsnetzes und Operationen für den Verschränkungs­tausch ermöglicht. Die Repeater-Knoten bestehen aus zwei in einer Ionenfalle gefangenen Kalzium-Ionen in einem optischen Resonator sowie einem Umwandler für einzelne Photonen in die Telekom­frequenz.

Die Wissenschaftler demons­trierten damit die Übertragung von Quanteninformation über eine fünfzig Kilometer lange Glasfaser, wobei der Quanten­repeater genau in der Mitte zwischen Anfangs- und Endpunkt angebracht war. Mit Berechnungen konnten die Forscher auch zeigen, welche System­verbesserungen noch notwendig sind, um mit dem gleichen Konzept eine Übertragung über 800 Kilometer möglich zu machen, was es erlauben würde, Innsbruck mit Wien zu verbinden.

U. Innsbruck / JOL

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