Rekordverschränkung von Quantenspeichern

Ein Netzwerk, in dem die Daten­über­tragung völlig sicher vor Hacker­angriffen ist? Wenn es nach Physikern geht, soll genau das mit Hilfe des quanten­mecha­nischen Phänomens der Verschränkung irgendwann Realität werden. Denn für verschränkte Teilchen gilt: Misst man Zustands­eigen­schaften des einen Teilchens, so kennt man automatisch auch die des anderen. Dabei spielt es keine Rolle, wie weit die verschränkten Partner voneinander entfernt sind. Eine ideale Voraus­setzung, um Informationen abhörsicher über große Distanzen zu über­tragen.

Ein Team um Harald Weinfurter von der Uni München und Christoph Becher von der Universität des Saarlandes koppelte nun zwei atomare Quanten­speicher über eine 33 Kilometer lange Glas­faser­verbindung. Das ist die bislang längste Strecke, über die eine Verschränkung mittels eines Tele­kommuni­ka­tions­kabels gelang. Die quanten­mechanische Verknüpfung wird dabei über Photonen vermittelt, die die beiden Quanten­speicher aussenden. Ausschlag­gebend für den Erfolg war, dass die Forscher die Wellenlänge der emittierten Licht­teilchen auf einen Wert verschoben, der auch für herkömmliche Tele­kommu­ni­kation verwendet wird. „Auf diese Weise konnten wir die Verluste an Photonen erheblich reduzieren und so verschränkte Quanten­speicher auch über lange Glasfaser­strecken erzeugen“, sagt Weinfurter.

Generell bestehen Quanten­netzwerke aus Knoten­punkten einzelner Quanten­speicher – etwa Atome, Ionen oder Defekte in Kristall­gittern. Diese Knoten können Quanten­zustände empfangen, speichern und versenden. Eine Vermittlung zwischen den Knoten­punkten kann mit Hilfe von Licht­teilchen erfolgen, die entweder über die Luft oder gezielt über Glasfaser­verbindung ausgetauscht werden. Für ihr Experiment nutzen die Forscher ein System aus zwei optisch gefangenen Rubidium­atomen in zwei Laboren auf dem Campus der Uni München. Die beiden Standorte sind mit einem sieben­hundert Meter langen Faserkabel verbunden. Durch Hinzufügen zusätz­licher Fasern auf Spulen lassen sich Verbindungen von bis zu 33 Kilometer Länge realisieren.

Ein Laserpuls regt die Atome an, wonach sie spontan in ihren Grundzustand zurück­fallen und dabei jeweils ein Photon aussenden. Auf Grund der Drehimpuls­erhaltung wird dabei der Spin des Atoms mit der Polarisation seines emittierten Photons verschränkt. Diese Licht­teilchen lassen sich schließlich nutzen, um auch die beiden Atomen quantenmechanisch zu koppeln. Dazu schickten die Wissen­schaftler sie durch das Glasfaser­kabel zu einer Empfangs­station, wo eine gemeinsame Messung der Photonen eine Verschränkung der Quanten­speicher signalisiert.

Allerdings emittieren die meisten Quantenspeicher Licht mit Wellenlängen im sichtbaren oder nahen Infrarot­bereich. „In Glasfasern kommen diese Photonen nur ein paar Kilometer weit, bevor sie verloren gehen“, erklärt Becher. Aus diesem Grund hat der Forscher mit seinem Team die Wellenlänge der Photonen für ihre Reise im Kabel optimiert. Mit zwei Quanten-Frequenz­konvertern erhöhten sie die ursprüngliche Wellenlänge von 780 Nanometern auf eine Wellenlänge von 1517 Nanometern. „Das liegt nahe an der Telekom-Wellenlänge von rund 1550 Nanometern“, sagt Becher. In diesem Frequenz­bereich ist die Über­tragung von Licht in Glasfasern am verlust­ärmsten. Die Umwandlung gelang dem Team mit einer bisher unerreichten Effizienz von 57 Prozent. Gleichzeitig ließen sich die in den Photonen gespeicherten Informationen mit hoher Güte erhalten, was Voraus­setzung für die quanten­mechanische Kopplung ist.

„Das Besondere an unserem Experiment ist, dass wir wirklich zwei stationäre Teilchen verschränken, also Atome, die als Quanten­speicher fungieren“, sagt Team-Mitglied Tim van Leent. „Das ist wesentlich schwieriger als die Verschränkung von Photonen, aber es eröffnet viel mehr Anwendungs­möglich­keiten“. Die Forscher denken, dass das entwickelte System für den Aufbau groß angelegter Quantennetze und für die Umsetzung sicherer Quanten­kommu­ni­kations­protokolle genutzt werden könnten. „Das Experiment ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanten­internet auf Basis bereits bestehender Glasfaser­infra­strukturen“, sagt Weinfurter.

LMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. van Leent et al.: Entangling single atoms over 33 km telecom fibre, Nature 607, 69 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04764-4
• Experimentelle Quantenphysik (H. Weinfurther), Ludwig-Maximilians-Universität München
• Quantenoptik (C. Becher), FR Physik, Universität des Saarlandes, Saarbrücken