Physikern der Universität des Saarlandes ist es gelungen, ein Atom mit einem Lichtquant im Telekom-Wellenlängenbereich zu verschränken. Damit lassen sich Quanteninformationen mittels Photonen verlustarm über lange Strecken transportieren. Die Kommunikation mit Quantenzuständen ist extrem sicher, da jedes Abhören das Übertragungssignal stören würde und es daher immer entdeckt werden kann. Aus demselben Grund ist es aber schwierig, die Informationen über weite Strecken zu transportieren: Das mit der Entfernung schwächer werdende Signal kann nämlich nicht einfach von Signalverstärkern, d.h. Repeater-Stationen, empfangen und verstärkt weitergesendet werden, wie dies in der klassischen Telekommunikation geschieht.
Abb.: Schema des Experiments (Bild: M. Bock et al.)
Hierfür muss ein anderes Prinzip verwendet werden: der Quanten-Repeater. Dabei wird zuerst eine Quantenverschränkung über kürzere Distanzen erzeugt und dann über immer längere Abstände weiter verbreitet. Eine Möglichkeit, dies zu realisieren, besteht darin, einzelne Atome und einzelne Photonen miteinander zu verschränken. Das geschieht in den Laboren von Jürgen Eschner mithilfe einzelner, durch Laser-Impulse kontrollierter Kalzium-Atome in einer Ionenfalle.
Für die Wellenlänge, bei der dies gut funktioniert (854 Nanometer), existieren jedoch keine Glasfasern zur verlustarmen Übertragung über weite Strecken; stattdessen möchte man die Photonen im Telekom-Wellenlängenbereich (1300 bis 1550 Nanometer) versenden. Die Technologie für die Umwandlung der Photonen in diesen Bereich, den Quanten-Frequenzkonverter, hat Christoph Becher mit seiner Arbeitsgruppe entwickelt.
Zusammen haben beide Gruppen jetzt demonstriert, dass das Telekom-Photon nach der Frequenzkonversion noch immer mit dem Atom verschränkt ist, welches das ursprüngliche Photon ausgesandt hat. Zudem haben die Forscher gezeigt, dass die hohe Qualität der Verschränkung praktisch unverändert bleibt. Faszinierend dabei ist, dass der gemeinsame Quantenzustand aus mikroskopischen Teilchen (einzelnem Atom und einzelnem Telekom-Photon) sich über mehrere Etagen des Saarbrücker Physikgebäudes erstreckt.
„Einer Verschränkung über zwanzig Kilometer Distanz steht dann eigentlich nichts mehr im Weg“, kommentiert Matthias Bock, Doktorand in der Quantentechnologie und Erstautor der aktuellen Studie. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt, um Quantentechnologie in die konventionelle Telekommunikation zu integrieren; dafür werden die Arbeiten der Gruppen an der Universität des Saarlandes vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
UdS / DE
