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. Ein Team der LMU-Quantenphysiker und Quantenoptiker der
Universität des Saarlandes konnte nun zwei atomare Quantenspeicher über eine 33 Kilometer lange Glasfaserverbindung verschränken. Das ist die bislang längste Strecke, über die eine
quantenmechanische Verschränkung mittels eines Telekommunikationskabels gelang.

Auf dem Weg zum Quanteninternet

Die Forscher denken, dass das entwickelte System für den Aufbau groß angelegter Quantennetze und für die Umsetzung sicherer Quantenkommunikationsprotokolle nutzbar sei und ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet auf Basis bereits bestehender Glasfaserinfrastrukturen sein könnte. Die Verschränkung wird über ausgesendete Lichtteilchen vermittelt. Um die Verluste über lange Glasfaserkabel niedrig zu halten, konvertieren die Forscher die Wellenlänge der Lichtteilchen auf einen Wert, wie er auch in der Telekommunikation verwendet wird.

Generell bestehen Quantennetzwerke aus Knotenpunkten einzelner Quantenspeicher – etwa Atomen oder Ionen. Dort können Quantenzustände empfangen, gespeichert und versendet werden. Die Vermittlung zwischen den Knoten erfolgt durch Lichtteilchen, die entweder über die Luft oder gezielt über Glasfaserverbindungen ausgetauscht werden. Für ihr  Experiment nutzen die Forscher ein System aus zwei optisch gefangenen Rubidiumatomen. Ein Laserpuls regt die Atome an, wonach sie spontan in ihren Grundzustand zurückfallen und dabei jeweils ein Photon aussenden. Eine Messung beider Lichtteilchen lässt sich schließlich nutzen, um die beiden
Atome quantenmechanisch zu koppeln – auch über lange Glasfaserkabel.

Verlustärmere Übertragung durch Frequenzkonverter

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. Mit einem so genannten Quanten-Frequenzkonverter erhöhten die Forscher daher die ursprüngliche Wellenlänge auf eine Wellenlänge, bei der eine deutlich verlustärmere Übertragung möglich ist. Die Umwandlung gelang mit einer bisher unerreichten Effizienz von 57 Prozent, während gleichzeitig diein den Photonen gespeicherten Informationen mit hoher Güte erhalten blieben.