Neuer Rekord: Deutschem Team gelingt Quantenverschränkung über 33 Kilometer Glasfaser

Quantennetzwerke werden als Zukunft der Kommunikationstechnologie betrachtet. In ihnen lassen sich Informationen sofort, manipulationsgeschützt und über große Entfernungen übertragen. Physiker:innen aus Deutschland gelang es nun erstmals, Atome über 33 Kilometer Glasfaser zu verschränken. Für die dabei verwendete Art Quantenkommunikation stellt das einen neuen Entfernungsrekord dar. Außerdem handelt es sich um einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem funktionierenden Quanten-Internet.

Photonenübertragung via Glasfaser: Limitierte Reichweite

Tests mit Quentenübertragungen gibt es bereits mit Glasfaser, Lasern oder sogar Satelliten als Übertragungsweg. Auch erste Quanten-Netzwerke konnten schon erprobt werden.

Wenn es um die Übertragung von Quanteninformation über Glasfaserkabel geht, ist die Wellenlänge der miteinander verschränkten Photone der limitierende Faktor in Sachen Reichweite. Für eine möglichst verlustfreie Übertragung müssen die Lichtteilchen auf die in der Telekommunikation üblichen Wellenlängen gebracht werden. Die meiste Quantenknoten arbeiten allerdings im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich, was in einer relativ geringen Reichweite resultiert.

“Bisher war das Versenden gut definierter Signale mit nachweisbarer Verschränkung auf Glasfaser-Längen von 1,7 Kilometer beschränkt“, erklären Tim van Leent von der Ludwig-Maximilians-Universität in München und seine Kolleg:innen. Dem Team gelang es, ein System zu entwickeln. Mit dem Quanteninformationen über eine größere Reichweite übertragen werden können.

Konvertierung zur Reichweitenverlängerung

Dabei verwendeten die Forscher:innen zwei räumlich getrennte Rubidiumatome als Quantenspeicher, die jeweils in einer eigenen Laserfalle gefangen waren. Diese Atome sollten miteinander verschränkt werden. Um dies zu erreichen, regte das Team die Atome mit einem Laser an. Beim Zurückfallen in den Ausgangszustand emittieren die Atome dann ein Photon. Bei diesem Vorgang wird der Spin-Zustand des Atoms mit dem Polarisations-Zustand des Photons verschränkt, sodass das Lichtteilchen als Träger der Quanteninformation fungieren kann.

Diese Photonen haben dann jedoch eine Wellenlänge von 780 Nanometern, was bedeutet, dass ihre Reichweite in einem Glasfaserkabel arg beschränkt ist. “Photonen mit dieser Wellenlänge würden schon bei 2,5 Kilometern in einer Glasfaser um den Faktor Zehn abgeschwächt”, so die Forscher:innen. Dieses Problem lösten sie mit einem Quanten-Frequenzkonverter, der die Photonen ins sogenannte S-Band der Telekommunikationsfrequenzen überführt, was einer Wellenlänge von 1517 Nanometer entspricht.

Neuer Reichweitenrekord

Diese Konvertierung gelang den Wissenschaftler:innen mit einer Effizienz von 57 Prozent — ein bisher unerreichter Wert. Gleichzeitig blieben die gespeicherten Quanteninformationen mit hoher Güte erhalten. Die konvertierten Photonen sendete das Team dann über unterschiedlich lange Glasfaserleitungen, wobei sie testeten, ob die Lichtteilchen ankamen, ob die Informationen erhalten und gut lesbar blieben und ob trotz der Entfernung eine quantenphysikalische Verschränkung der beiden Atome erreicht wurde.

Es gelang den Physiker:innen, die Photonen über 33 Kilometer Glasfaser zu verschicken, ohne dass die Kopplung und damit auch die gesicherten Informationen verloren ging. Dies stellt einen neuen Entfernungsrekord für diese Art der Quantenübertragung dar. “Unsere Ergebnisse zeigen die Machbarkeit einer Verschränkungs-Übertragung über Telekommunikationskabel”, schreiben die Forscher:innen.

Die Ergebnisse sind für die Geräte-unabhängige Verteilung von Quantenschlüsseln und für die Funktionsfähigkeit von Quantenverstärkern von Bedeutung. Letztlich legen die Wissenschaftler:innen mit ihrer Arbeit einen weiteren wichtigen Stein auf dem Weg zu einem funktionierenden Quanten-Internet.

via Ludwig-Maximilians-Universität München