Forschung & Entwicklung

Auf dem Weg zum Quantennetzwerk

Eine Verschränkung zwischen den Quanteneigenschaften eines Atoms und eines Photons über 20 km Glasfaser lässt sich mithilfe eines Frequenzkonverter erzeugen.

Das Prinzip der Verschränkung ist zentral für alle künftigen Quantentechnologien. Bisherige Experimente erreichten lediglich Entfernungen von 700 m. Die Entfernung von 20 km stelle einen Meilenstein hinsichtlich der Verteilung von Quanteninformationen in großem Maßstab dar. „Unsere Arbeit ist ein zentraler Schritt hin zu zukünftigen Quantennetzwerken“, sagt Physiker Professor Harald Weinfurter von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU).

Quantennetzwerke bestehen grundsätzlich aus Knotenpunkten mit Quantenspeichern – zum Beispiel ein oder mehrere Atome – und photonischen Kanälen dazwischen. Den Physikern gelang es nun, ein Rubidiumatom mit einem Photon zu verschränken und die Verschränkung auch noch nach einer im Labor aufgewickelten, zwanzig Kilometer langen Glasfaserleitung zu beobachten.

Das größte Hindernis für derart große Distanzen war dabei die Wellenlänge der im Experiment verwendeten Rubidiumatome. Sie emittieren nach gezielter Anregung Photonen mit einer Wellenlänge von 780 nm, also nahem Infrarot. „Diese Wellenlänge würde in einer Glasfaser schnell absorbiert“, erklärt Weinfurter. In den Leitungen wird das Signal nämlich je nach genutzter Wellenlänge unterschiedlich stark absorbiert. Konventionelle Kommunikationsnetze wie etwa das der Telekom verwenden daher Wellenlängen um 1550 nm, die Verluste in den Glasfaserkabeln sind hier deutlich geringer.

Dies wollten die Forscher nutzen. Daher baute Matthias Bock von der Universität des Saarlandes einen sogenannten Frequenzkonverter, der die Wellenlänge des Photons gezielt auf 1520 nm umwandeln kann – ein technisch aufwendiger und anspruchsvoller Vorgang. Denn bei der Umwandlung dürfen wichtige Eigenschaften wie vor allem die Polarisation des Photons nicht verändert werden, sonst ginge die Verschränkung verloren. „Dank dieses sehr effizienten Konverters konnten wir bei Telekom-Wellenlängen deutlich höhere Reichweiten erzielen und Quanteninformationen über große Entfernungen übertragen“, sagt Weinfurter.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun auch für ein zweites Atom die Wellenlänge konvertieren, um die zwei Atome auch über lange Glasfaserspulen miteinander verschränken zu können. Die Eigenschaften von Glasfasern ändern sich abhängig von Temperatur und Spannung auf der Faser. Daher wollen die Wissenschaftler die Verschränkung über 20 Kilometer zuerst unter kontrollierten Laborbedingungen erzeugen. Danach sind Experimente im Freiland geplant, um so das Netzwerk mit neuen Knotenpunkten weiter zu bauen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. van Leent, M. Bock, R. Garthoff, K. Redeker, W. Zhang, T. Bauer, W. Rosenfeld, C. Becher, H. Weinfurter, Long-Distance Distribution of Atom-Photon Entanglement at Telecom Wavelength, Phys. Rev. Lett. 124 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.010510]

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