28.05.2018

Verschränkung für die Langstrecke

Quanten-Frequenz-Konversion ermöglicht neuen Baustein für Quanten-Repeater.

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

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