Forschung & Entwicklung

Frequenzkonverter für Quantenrepeater im Glasfasernetz

Die Manipulation von Photonen mithilfe von Kristallen ist nötig, um verschlüsselte Information mittels Glasfasertechnik über große Distanzen zu übertragen und so ein flächendeckendes Quantennetzwerk aufzubauen.

Ein Quantennetzwerk basiert auf der Übertragung einzelner Photonen, die als mobile Quantenbits dienen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Lichtteilchen beim Empfänger ankommt, sinkt grundsätzlich mit steigender Glasfaserstrecke. Um Daten über Distanzen von wenigstens 10 bis 100 km austauschen zu können, müssen die Photonen deshalb eine bestimmte Wellenlänge besitzen. Doch selbst dann sind für ein kontinentales Netzwerk Stationen nötig, in denen das Signal wiederholt beziehungsweise aufbereitet wird. Diese sogenannten Quantenrepeater unterscheiden sich allerdings grundlegend von Signalverstärkern der klassischen Kommunikationstechnik.

Quantenrepeater müssen die Teilstrecken mithilfe von Quanteneffekten überbrücken. Sie basieren auf der Interferenz einzelner Lichtteilchen, die von räumlich voneinander entfernten, unabhängigen Emittern ausgesendet werden. „In unserem Fall verwenden wir Halbleiternanostrukturen als Emitter der Lichtteilchen. Sie haben den Vorteil, dass sie mit rekordverdächtiger Rate Photonen aussenden“, erklärt Jonas Weber vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Universität Stuttgart. Das sei wichtig für eine schnelle Datenübertragung.

Die gängigen Nanostrukturen, auch Quantenpunkte genannt, senden jedoch meist Lichtteilchen aus, deren Wellenlänge nicht auf die Übertragung mit Glasfasern angepasst ist. Um die vielen Vorzüge von Quantenpunkten dennoch nutzbar zu machen, wurden von der Arbeitsgruppe Quantenoptik um Professor Christoph Becher der Universität des Saarlandes zwei unabhängige Quantenfrequenzkonverter aufgebaut. Diese Konverter enthalten spezielle Kristalle. Überlagert man in ihnen die einzelnen Lichtteilchen mit starkem Laserlicht, so kann deren Wellenlänge manipuliert werden. „Erst dann können die Lichtteilchen über die angepeilten 10-100 km Glasfaserstrecke übertragen werden. Ohne diese Vorbereitung müsste man in 1-km-Abständen Signalverstärker aufbauen. Das wäre wohl nicht realisierbar“, meint Benjamin Kambs von der Universität des Saarlandes.

Die Physiker konnten nun zeigen, dass man trotz der nötigen Manipulation den elementaren Quanteneffekt noch beobachten kann. So wurden die einzelnen Lichtteilchen durch eine 2-km Glasfaserstrecke gesendet und danach erfolgreich zur Interferenz gebracht. Das ist nicht selbstverständlich angesichts der im Allgemeinen extrem fragilen Natur von Quantenzuständen. Das Experiment zeigt, dass Halbleiterquantenpunkte in Kombination mit Quantenfrequenzkonversion eine veritable Plattform für Quantenrepeater darstellen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[J. H. Weber, Two-photon interference in the telecom C-band after frequency conversion of photons from remote quantum emitters, Nat. Nanotechnol. (2018), DOI: 10.1038/s41565-018-0279-8]

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