Forschung & Entwicklung

Weniger Rauschen im Quantennetz

Quantenverschränkung wird durch eine robustere Verschränkung von Photonen auch bei Tageslicht und verrauschten Kanälen nachweisbar. Das ist eine wichtige Voraussetzung für ein alltagstaugliches Quanteninternet der Zukunft.

Bisher stand das Rauschen einer Quantenkommunikation außerhalb von Forschungslaboren immer wieder im Weg. Denn die Verschränkung, eines der wichtigsten Quantenphänomene, das sich durch die unmittelbare Verbundenheit von Teilchen über beliebige Entfernungen auszeichnet und die Basis für die Vorteile der Quantenkommunikation gegenüber herkömmlichen Methoden bildet, gilt als besonders anfällig für jegliche Störungen aus ihrem Umfeld. Schon eine geringe Interaktion mit der Umgebung kann zur Störung der Verschränkung führen.

Einem internationalen Team von Forschern am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es jetzt gelungen, die Quantenverschränkung weitaus robuster als bisher zu machen. Damit wird nicht nur die Verschränkung selbst sicherer, sondern kann auch über größere Distanzen aufrechterhalten werden. Ein Durchbruch, der für die Langstrecken-Quantenkommunikation – etwa zwischen Satelliten und Bodenstationen – von zentraler Bedeutung ist.

Das sogenannte Rauschen wird hauptsächlich durch den Verlust von Teilchen bei der Übertragung verursacht. Üblicherweise werden für die Verschränkung Photonen verwendet, da sich diese mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und nur wenig mit der Umgebung wechselwirken. Dazu wird meistens die Polarisation oder der Erzeugungszeitpunkt der Photonen als Informationsträger herangezogen.

Bei ihrem Experiment nutzten die Quantenphysiker nun Polarisation, Erzeugungszeitpunkt und Erzeugungsort. Die Information wurde also in den räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der verschränkten Photonen eingeschrieben. Das Forschungsteam konnte erfolgreich nachweisen, dass sich mit dieser hochdimensionalen Verschränkung starkes Rauschen überwinden lässt – und zwar auch außerhalb von gut isolierten Laboratorien.

„Der Grund dafür ist, dass Verschränkung bei vielen unterscheidbaren Zuständen spezielle Korrelationen aufweist, die auch bei starkem Hintergrundrauschen noch eindeutig von klassischen Korrelationen unterschieden werden können“, erklärt Marcus Huber von der ÖAW.

Erstmals könnte diese Methode der Quantenverschränkung auch bei Tageslicht funktionieren. Tatsächlich gibt es bisher nur wenige Experimente, die auch tagsüber gelingen. Weil die Sonne ein noch höheres Rauschlevel bewirkt, werden die meisten Quantenkommunikation-Experimente über Freistrahlverbindungen in der Nacht durchgeführt.

Warum eine robuste und alltagstaugliche Quantenverschränkung für zukünftige Anwendungen von Quantentechnologien wichtig ist, erläutert ÖAW-Physiker Sebastian Ecker: „Quantenverschränkung ist das Rückgrat der Quantenkommunikation. Ein sicheres Quanteninternet kann es nur geben, wenn die Verschränkung weitgehend ungestört übertragen wird. Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, wie sich die Verschränkung robuster gestalten lässt. Das ist ein weiterer wichtiger Schritt zum Quanteninternet der Zukunft.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. Ecker, F. Bouchard, L. Bulla, F. Brandt, O. Kohout, F. Steinlechner, R. Fickler, M. Malik, Y. Guryanova, R. Ursin, M. Huber, Overcoming noise in entanglement distribution, Phys. Rev. X (2019), DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041042]

www.oeaw.ac.at

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