Schutz gegen Signalverlust: Physiker haben die Verschränkung von Quanten weniger störanfällig gemacht. Das macht Quantensignale auch bei Tageslicht und verrauschten Kanälen noch nachweisbar – eine wichtige Voraussetzung für Langstreckenübertragungen oder das Senden von Quantenbotschaften durch die Luft. Erreicht haben die Forscher diese robusteren Signale durch eine Verschränkung von räumlichen und zeitlichen Merkmalen der Lichtteilchen.
Basis für die Quantenkommunikation und die Übersendung von Schlüsseln für die Quantenkryptografie ist die Verschränkung. Bei diesem Phänomen sind die Zustände von zwei Teilchen so miteinander gekoppelt, dass der Zustandswechsel des einen automatisch den des Partners verursacht – instantan und über große Entfernungen hinweg. Forschern ist es bereits gelungen, damit Quantensignale über Glasfaserkabel, durch die Luft und sogar aus dem Orbit zu übertragen.
Mit mehr Dimensionen gegen das Störrauschen
Doch es gibt einen Haken: Die Quantenverschränkung ist sehr sensibel gegenüber Störeinflüssen. Umwelteinflüsse, Störlicht von der Sonne und der Verlust von zu vielen Photonen führt dazu, dass die Teilchen ihre Verschränkung verlieren. Der Inhalt der Quantenbotschaft geht dann im Rauschen unter. Deshalb begrenzen diese Störeffekte die Reichweite von Quantensignalen sowohl in Glasfaserkabeln als auch bei der Freiluftübertragung, die bisher nur bei Nacht ausreichend störungsfrei möglich ist.
Es gibt aber eine Lösung für dieses Rauschproblem, wie nun Sebastian Ecker vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und seine Kollegen berichten. In ihrem Experiment haben sie die Lichtteilchen nicht nur in einem Merkmal miteinander verschränkt, sondern in mehreren. Eine solche „multidimensionale Verschränkung“ ermöglicht nicht nur die Übertragung von mehr als einem Bit an Information pro Photon, es macht die Übertragung auch robuster, wie die Forscher nun belegen.
Verschränkung in mehreren Ebenen
Konkret testeten die Physiker zwei Varianten solcher mehrdimensional verschränkter Photonen. Im ersten Experiment erzeugten sie mittels Laser und einem photonischen Kristall Lichtteilchen, die in Bezug auf ihre Polarisation und auf den Erzeugungszeitpunkt verschränkt waren. Im zweiten Experiment waren die Photonen über mehrere Bahndrehimpuls-Ebenen miteinander verschränkt. In beiden Tests durchflogen diese Photonen eine Strecke mit verschieden starkem Störlicht.
Das Ergebnis: Trotz des starken Rauschens konnten die Forscher die Quantensignale beim Empfänger erfolgreich identifizieren und auslesen. „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 Seniorautor Marcus Huber vom IQOQI.
„Wichtiger Schritt zum Quanteninternet der Zukunft“
Nach Ansicht der Forscher belegt ihr Experiment, dass solche höherdimensionalen Verschränkungen das Problem des Rauschens und der Signaldegradierung bei der Quantenübertragung zumindest in Teilen lösen könnte. „Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, wie sich die Verschränkung robuster gestalten lässt. Das ist ein weiterer wichtiger Schritt zum Quanteninternet der Zukunft“, sagt Ecker.
Der nächste Schritt ist es nun, Kommunikationsprotokolle für die Quantenübertragung zu entwickeln, die solche höherdimensionalen Verschränkungen für die Quantenkryptografie und andere Anwendungen praktisch nutzbar machen. (Physical Review X, 2019; doi: 10.1103/PhysRevX.9.041042)
Quelle: Österreichische Akademie der Wissenschaften
