Kommunikationskette für Quanteninformationen

München/Garching – In der Quantenkommunikation lassen sich Informationen abhörsicher verschlüsseln, doch die Daten über weite Strecken zu übertragen, ist weiterhin eine Herausforderung. Zwar verschränkten Wissenschaftler bereits Photonen in einem Abstand von 140 Kilometern, doch um Informationen noch weiter übermitteln zu können, muss ein sogenannter Quantenrepeater zwischengeschaltet werden. Er sorgt dafür, dass die Informationen nicht durch Verluste bei der Weiterleitung verloren gehen. Forscher haben dazu nun ein System entwickelt, bei dem sie Rubidiumatome über zwanzig Meter verschränkten und ein Signal erhielten, wenn der Vorgang erfolgreich war. Auf diese Weise könnten Quanteninformationen über eine Kette von Systemen weitergeben werden und die Übertragungsstrecke deutlich erhöht werden. Das Team berichtet über seine Methode in der Zeitschrift „Science“.

Künstlerische Darstellung des Versuchaufbaus, zwei Atome sind in einiger Entfernung zueinander angeordnet, ihre Verschränkung wird durch eine violette Wolke dargestellt, die sich zwischen den Atomen erstreckt. Beide senden ein Photon an einen Detektor, der etwas weiter hinten in der Mitte zwischen den Atomen steht. Die Photonen sind als rötliche Wolken zwischen Atomen und Detektor dargestellt.
Schema des Versuchaufbaus

In zwei Laboren fingen die Forscher von der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching je ein Rubidiumatom mit fokussiertem Laserlicht in einer sogenannten optischen Dipolfalle ein. Anschließend wurden die Atome mit einem weiteren Laser angeregt, sodass sie jeweils ein Photon aussendeten. Diese Photonen leiteten die Forscher anschließend über ein Glasfaserkabel zu einem halbversilberten Spiegel und brachten sie dort zur Überlagerung. Nur wenn die beiden Photonen an verschiedenen Seiten des Spiegels nachgewiesen wurden, war die Verschränkung bestätigt. Die Forscher erkannten also die Verschränkung, ohne dass sie in das System eingreifen und es zerstören mussten. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für einen Quantenrepeater.

Da vor allem bei der Übertragung von Photonen durch Glasfaser hohe Verluste auftreten, brauchten die Wissenschaftler rund eine Million Versuche, um ein Signal zu erhalten. Trotzdem werteten sie ihr Experiment als Erfolg, da es die Möglichkeit eröffne, mehrere dieser Systeme hintereinander zu schalten. „Ohne dieses Signal müsste beim Aufbau einer Kette ein viel aufwendigeres Verschränkungsverfahren angewendet werden“, sagt Harald Weinfurter von der LMU München. Ihre Versuchsanordnung könnte ein mögliches Element für zukünftige Quantennetzwerke sein, bei denen die Informationen über mehrere Knotenpunkte geleitet werden. Mit ihrem Versuchsaufbau ließen sich die beiden Rubidiumatome auch über mehrere hundert Meter verschränken, so die Forscher, allerdings hängt die Erfolgsquote weiterhin von den Verlusten im Glasfaserkabel ab.