Acht statt zwei: Forscher haben einen Weg gefunden, Quantenübertragungen robuster und leistungsfähiger zu machen. Dafür verschränken sie die informationstragenden Photonen über acht räumliche Zustände, statt nur zwei Polarisationsrichtungen zur Kodierung zu nutzen. Der Vorteil: Die Photonen mit den höherdimensional verschränkten Quantenzuständen können mehr Informationen transportieren und sind unempfindlicher gegenüber Störeffekten, wie die Physiker berichten.
Die Quantenkommunikation gilt als besonders zukunftsträchtig. Denn durch die Nutzung verschränkter Photonen als Quantenschlüssel lässt sich Information instantan, manipulationssicher und über große Entfernungen hinweg übertragen. Erste Übertragungen von Quanteninformationen in Glasfasernetzen und Seekabeln, durch die Luft und sogar über Satellit waren schon erfolgreich. Auch erste Vorstufen eines Quanten-Internets sind bereits im Test.
Robuster durch multidimensionale Verschränkung
Allerdings: Die verschränkten Photonen reagieren sehr sensibel auf Störungen und verlieren schnell ihre Kopplung. „Kein Quantensystem lässt sich perfekt gegenüber Störungen von außen abschirmen. Doch wenn es in Kontakt mit Störungen kommt, dann passiert es sehr leicht, dass es seine Quanteneigenschaften verliert: Die Quantenverschränkungen werden zerstört“, erklärt Seniorautor Marcus Huber von der Technischen Universität Wien.
Schon länger suchen Huber und sein Team daher nach Möglichkeiten, Quantenübertragungen robuster zu machen. Erste Tests haben gezeigt, dass sich dies durch eine multidimensionale Verschränkung erreichen lässt: Die Photonen kodieren die Information nicht nur in zwei Quantenzuständen wie ihrer Polarisationsrichtung, sondern sind auch in weiteren Merkmalen miteinander verschränkt.
Photonen auf acht Wegen
Auf Basis dieser Erkenntnisse haben Huber, Erstautor Xiao-Min Hu von der Universität Hefei und ihr Team nun ein neues, robusteres und leistungsfähigeres Übertragungsprotokoll für Quanten entwickelt. Die verschränkte Photonen sind dabei über acht räumliche Zustände miteinander verknüpft. „Das Photon lässt sich nicht mehr durch einen Punkt in zwei Dimensionen beschreiben, mathematisch gesehen existiert es nun in acht Dimensionen“, erklärt Huber.
Konkret nutzten die Physiker einen speziellen Kristall, um darin an acht verschiedenen Stellen mittels Laser verschränkte Photonen zu erzeugen. Je nachdem, an welchem Punkt das Photonenpaar entstanden ist, kann sich jedes der beiden Photonen auf acht verschiedenen Wegen weiterbewegen – oder auch entsprechend dem quantenphysikalischen Überlagerungszustand auf mehreren Wegen gleichzeitig. Welche der acht Pfadmöglichkeiten beim Empfänger gemessen wird, ist zufällig. Die Verschränkung stellt aber sicher, dass alle Empfänger dieselbe Information ablesen.
Rekord in der Übertragungsrate
„Dass wir hier acht mögliche Wege verwenden, und nicht wie sonst üblich zwei verschiedene Polarisationsrichtungen, macht einen großen Unterschied“, sagt Huber. „Der Raum der möglichen Quantenzustände wird dadurch viel größer.“ Diese Erweiterung bringt gleich zwei wichtige Vorteile mit sich. Zum einen können die Photonen durch die multidimensionale Verschränkung mehr Informationen transportieren. Mit einer Übertragungsrate von 8.307 Bit pro Sekunde und über 2,5 Bit pro Photonenpaar gelang es dem Physikerteam, einen neuen Rekord aufzustellen.
Zum anderen macht die höher Zahl der verschränkten Quantenzustände die Übertragung auch robuster gegenüber Störungen. „Bei den Experimenten wurde im Labor sogar zusätzliches Licht eingeschaltet, um ganz bewusst Störungen hervorzurufen – und das Protokoll funktionierte noch immer“, berichtet Huber. „Wir konnten zeigen, dass bei einer bloß zweidimensionalen Kodierung in diesem Fall kein kryptographischer Schlüssel mehr erzeugt werden kann.“ Die achtfach verschränkten Photonen blieben dagegen kohärent.
Kompromiss des technisch Machbaren
„Durch die Nutzung der räumlichen Freiheitsgrade zeigen wir, dass die erhöhte Störresistenz der höherdimensionalen Verschränkung sich auch praktisch für die Verteilung von Quantenschlüsseln eignet“, schreibt das Team. Wie sie erklären, würde grundsätzlich nichts dagegen sprechen, das neue, schnellere und zuverlässigere Quantenkryptographie-Protokoll sogar noch weiter zu verbessern, indem man noch zusätzliche Freiheitsgrade beziehungsweise eine noch größere Zahl unterschiedlicher Pfade verwendet.
„Allerdings wird damit nicht nur der Raum der möglichen Zustände größer, es wird dann irgendwann auch immer schwieriger, die Zustände korrekt auszulesen“, erklärt Huber. „Wir haben hier, zumindest im Bereich des derzeit technisch Möglichen, offenbar einen guten Kompromiss gefunden.“ (Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.127.110505)
Quelle: Technische Universität Wien
