Stabiler und schneller: Forscher entwickeln neues Quanten-Übertragungsprotokoll

Quantenkommunikation gilt als Zukunftstechnologie. Die Nutzung verschränkter Photone als Quantenschlüssel erlaubt es, Informationen sofort, sicher und über große Entfernungen hinweg zu übertragen. Erste Experimente mit Quantenübertragungen via Glasfasernetzen, durch die Luft und über Satellit konnten bereits Erfolge produzieren. Forscher konnten nun einen Weg finden, Quantenübertragungen sowohl stabiler als auch leistungsfähiger zu gestalten. Dafür verschränkten sie die informationstragenden Photonen über acht räumliche Zustände.

Multidimensionale Verschränkung verbessert Übertragung

Die verschränkten Photonen, die zur Übertragung von Informationen bei Quantenübertragungen genutzt werden, sind sehr anfällig für Störungen und können ihre Kopplung schnell verlieren. „ Kein Quantensystem lässt sich perfekt gegenüber Störungen von außen abschirmen. Doch wenn es in Kontakt mit Störungen kommt, dann passiert es sehr leicht, dass es seine Quanteneigenschaften verliert: Die Quantenverschränkungen werden zerstört„, so Marcus Huber von der Technischen Universität Wien, Seniorautor der Studie.

Huber und sein Team suchen bereits seit längerem nach Möglichkeiten, die Quantenübertragung robuster zu gestalten. Ein Ansatz ist die sogenannte multidimensionale Verschränkung. Dabei kodieren die Photonen die Information nicht in lediglich zwei Quantenzuständen wie ihrer Polarisationsrichtung, sondern auch in weiteren Merkmalen.

Die Forscher haben auf Basis dieser multidimensionalen Verschränkung nun ein robusteres, leistungsfähigeres Übertragungsprotokoll für Quanten entwickelt, bei dem die verschränkten Photonen über insgesamt acht Zustände miteinander verknüpft werden. „„Das Photon lässt sich nicht mehr durch einen Punkt in zwei Dimensionen beschreiben, mathematisch gesehen existiert es nun in acht Dimensionen„, so Huber.

Acht quantenphysikalische Zustände

Dabei nutzen die Wissenschaftler einen speziellen Kristall, um darin an acht verschiedenen Stellen miteinander verschränkte Photonen zu erzeugen. Die Photonenpaare bewegen sich dann abhängig von dem Ort ihrer Entstehung auf unterschiedlichen Wegen weiter. Entsprechend dem quantenphysikalischen Überlagerungszustand können sie sich auch auf mehreren Wegen gleichzeitig bewegen. Welche dieser acht Pfadmöglichkeiten beim Empfänger gemessen wird, ist rein zufällig. Durch die Verschränkung lesen aber alle Empfänger dieselbe Information ab.

„Dass wir hier acht mögliche Wege verwenden, und nicht wie sonst üblich zwei verschiedene Polarisationsrichtungen, macht einen großen Unterschied. Der Raum der möglichen Quantenzustände wird dadurch viel größer„, erklärt Huber. So können die Photonen durch die multidimensionalen Verschränkungen mehr Informationen transportieren. Außerdem erhöhen sie die Robustheit der Übertragung gegenüber Störungen. „ Bei den Experimenten wurde im Labor sogar zusätzliches Licht eingeschaltet, um ganz bewusst Störungen hervorzurufen – und das Protokoll funktionierte noch immer. Wir konnten zeigen, dass bei einer bloß zweidimensionalen Kodierung in diesem Fall kein kryptographischer Schlüssel mehr erzeugt werden kann„, so Huber. Das neue Übertragungsprotokoll blieb dabei einsatzbereit.

An der Grenze der technischen Möglichkeiten

„Durch die Nutzung der räumlichen Freiheitsgrade zeigen wir, dass die erhöhte Störresistenz der höherdimensionalen Verschränkung sich auch praktisch für die Verteilung von Quantenschlüsseln eignet„, so das Team. DAs Protokoll ließe sich durch zusätzliche Freiheitsgrade oder eine größere Zahl unterschiedlicher Pfade noch weiter verbessern.

„ Allerdings wird damit nicht nur der Raum der möglichen Zustände größer, es wird dann irgendwann auch immer schwieriger, die Zustände korrekt auszulesen. Wir haben hier, zumindest im Bereich des derzeit technisch Möglichen, offenbar einen guten Kompromiss gefunden„, erläutert Huber.

via TU Wien