Physiker der Universitäten Innsbruck in Österreich und Paris-Saclay in Frankreich haben erstmals alle Schlüsselfunktionen eines Langstrecken-Quantennetzwerks in einem einzigen System vereint. In einem Proof-of-Principle-Experiment nutzten sie dieses System, um Quanteninformationen über einen sogenannten Repeater-Knoten über eine Distanz von 50 Kilometern zu übertragen – weit genug, um darauf hinzuweisen, dass bald die Bausteine für praktische, groß angelegte Quantennetzwerke entstehen könnten In Reichweite.
Quantennetzwerke bestehen aus zwei grundlegenden Komponenten: den Quantensystemen selbst, sogenannten Knoten, und einer oder mehreren zuverlässigen Verbindungen zwischen ihnen. Ein solches Netzwerk könnte funktionieren, indem es die Quantenbits (oder Qubits) mehrerer Quantencomputer verbindet, um die Last komplexer Quantenberechnungen zu „teilen“. Es könnte auch für supersichere Quantenkommunikation verwendet werden.
Doch der Aufbau eines Quantennetzwerks ist keine leichte Aufgabe. Solche Netzwerke funktionieren oft durch die Übertragung einzelner, verschränkter Photonen; das heißt, sein Quantenzustand ist eng mit dem Zustand eines anderen Quantenteilchens verknüpft. Leider geht das Signal eines einzelnen Photons über große Entfernungen leicht verloren. Träger von Quanteninformationen können in einem Prozess, der als Dekohärenz bezeichnet wird, auch ihre Quantennatur verlieren. Die Verstärkung dieser Signale ist daher unerlässlich.
Wiederholung ohne Zögern oder Abweichung
Quantenrepeater können diesen Schub liefern, allerdings nicht auf einfache Weise. Da die Regeln der Quantenmechanik das Kopieren verschränkter Zustände einschränken, können Repeater das empfangene Signal nicht einfach kopieren und an den nächsten Knoten weiterleiten. Stattdessen müssen sie Informationen in einem sogenannten Quantenspeicher speichern und diese dann mithilfe eines Prozesses übertragen, der als Bell-Zustandsmessung (BSM) bezeichnet wird.
Ein voll funktionsfähiger Quantenrepeater muss auch bestimmte praktische Anforderungen erfüllen. Erstens müssen die Quantensignale Wellenlängen haben, die in der Telekommunikation verwendet werden, damit sie ohne allzu große Verluste über optische Fasern übertragen werden können. Zweitens sollte die Speicherzeit des Quantenspeichers die Zeit überschreiten, die zur Erzeugung der Verschränkung benötigt wird. Schließlich sollte jeder Schritt im Prozess deterministisch sein, was bedeutet, dass nach jedem erfolgreichen Schritt Signale erzeugt werden müssen.
All in one
Die neueste Arbeit, die beschrieben wird in Physical Review Letters, vereint alle drei praktischen Anforderungen in einem einzigen Experiment. In der ersten Abfolge der Ereignisse emittieren jeweils zwei eingefangene Calciumionen ein Photon und bilden so zwei verschränkte Photonen-Ionen-Paare. Dabei wirken die gefangenen Ionen als Qubits und ihre Quantenzustände sind über das Quantennetzwerk verteilt. Die Photonen dieser Paare werden dann in die Telekommunikationswellenlänge von 1550 nm umgewandelt und über separate 25 km lange optische Fasern an zwei verschiedene Knoten gesendet. Die Gesamtentfernung zwischen den Knoten beträgt somit 50 km.
Immer wenn eines der Photonen seinen vorgesehenen Knoten erreicht, wird der Zustand seines verschränkten Ions in den geschützten Speicherzuständen des Ions gespeichert. Das System unternimmt dann wiederholte Versuche, ein zweites Photon (verschränkt mit dem zweiten Ion) an den anderen Knoten zu senden. Sobald an beiden Knoten Photonen erkannt werden, führen die Experimentatoren ein BSM durch, um die Ionenzustände auf ihre jeweiligen verschränkten Photonen zu übertragen.
Um dieses Protokoll zu testen, wiederholten die Forscher es 44 Mal über einen Zeitraum von 720 Minuten und verzeichneten 33 Erfolge bei 2053 Versuchen, Photonen zwischen den entfernten Knoten zu verschränken. Das klingt vielleicht nicht nach einer hohen Erfolgsquote, aber das Vorhandensein der Ionenspeicher machte die Herstellung einer Verschränkung 2-mal wahrscheinlicher. Dies weist darauf hin, dass möglicherweise weitere Verbesserungen möglich sind, bis hin zu der Grenze, an der beide Detektoren beide Photonen erfolgreich erfassen und nur durch die Dekohärenz in den Speicherzuständen der Ionen eingeschränkt sind.
Das Netzwerk weiter ausbauen
Die Forscher modellierten auch, wie weit ihre Methode vorangetrieben werden könnte. Unter Berücksichtigung aller verschiedenen Faktoren zeigten sie, dass ein Netzwerk aus 17 ionenbasierten Repeater-Knoten eine Verschränkung zwischen Ionen im Abstand von 800 Kilometern herstellen könnte. Laut leitendem Forscher Ben Lanyon Von der Universität Innsbruck planen Mitglieder des Teams nun, die Fasern, die sich derzeit in ihren Laboren befinden, abzuwickeln und die Verflechtung außerhalb des Campus in das bestehende kommerzielle Glasfasernetz einzuspeisen. „Unsere Vision ist es, das Labor zu verlassen und mit dem Aufbau von Quantennetzwerken aus Materie und Licht zwischen Städten und Ländern zu beginnen“, erzählt er Physik-Welt.
Neue Quantenrepeater könnten ein skalierbares Quanteninternet ermöglichen
Ronald Hanson, ein Physiker am QuTech in den Niederlanden, der nicht an der Arbeit beteiligt war, bezeichnet das Ergebnis als wichtig, weil es mehrere Elemente vereint, die für einen Quantenrepeater erforderlich sind. Insbesondere weist er darauf hin, dass das Experiment den Multi-Qubit-Betrieb innerhalb des Knotens, effiziente Qubit-Photon-Schnittstellen und Telekommunikationskompatibilität demonstriert, wobei jedes Element mit hoher Wiedergabetreue arbeitet, um eine gute Gesamtleistung zu erzielen – die relevanteste Messgröße. Während ein voll funktionsfähiges Quanteninternet noch in weiter Ferne liegt, glaubt Hanson, dass diese Demonstration ein Schritt in Richtung funktionsfähiger Quantenrepeater auf Basis gefangener Ionen ist.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-repeater-transmits-entanglement-over-50-kilometres/
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