Rekord bei der Quanten-Teleportation

Langstreckenrekord: Physiker haben erstmals Quanteninformationen über 100 Kilometer Glasfaser teleportiert. Sie konnten das schwache Signal von quantenmechanisch verschränkten Photonen selbst nach dieser langen Strecke noch mit Hilfe von neuen, hocheffizienten Detektoren messen, wie die Forscher im Magazin „Optica“ beschreiben. Dies ist ein wichtiger Schritt für die Informationsübertragung von Quantencomputern und den Aufbau eines „Quanten-Internet“.

Die Quantenteleportation hat enorme Fortschritte gemacht, seit die Idee dazu vor rund 20 Jahren zuerst aufkam: Über quantenmechanisch miteinander verschränkte Teilchen, meistens Photonen, lässt sich Information blitzschnell und absolut abhörsicher übertragen. Von der Teleportation von Gegenständen oder gar Personen wie beim Beamen auf der „Enterprise“ ist das zwar noch weit entfernt. Für die Informationsübertragung in Quantencomputern und deren Netzwerken ist die Quantenteleportation jedoch ein zentraler Bestandteil.

Nur eins von hundert Photonen schafft hundert Kilometer

Durch den freien Raum gelingt die Teleportation von Quanteninformationen mittlerweile recht gut auch über große Entfernungen. Verschiedene Gruppen von Physikern haben bereits Distanzen von mehr als hundert Kilometern überwunden. Glasfaserleitungen sind jedoch die bessere Wahl, um ein Netzwerk von Computern oder sogar ein „Quanten-Internet“ aufzubauen.

Darüber jedoch war die Quantenteleportation über große Entfernungen bislang problematisch: Die über Glasfaserkabel übermittelten Photonen ließen sich mit bisherigen Detektoren nicht präzise genug messen. Daher ging der größte Teil der übertragenen Informationen verloren. „Nur etwa ein Prozent der Photonen schafft die ganze Strecke durch 100 Kilometer Glasfaser“, erklärt Marty Stevens vom US-National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder.

Schematische Darstellung des Versuchsablaufs © Martin Stevens / Kelly Irvine / NIST

Früh oder mit einer Nanosekunde Verspätung

Die Physiker am NIST haben nun einen großen Schritt zur Lösung dieses Problems gemacht: Mit Hilfe von supraleitenden Nanodrähten konnten sie die verschränkten Photonen effizienter als je zuvor messen. Dadurch gelang ihnen die Quantenteleportation durch 102 Kilometer aufgespultes Glasfaserkabel – ein neuer Langstreckenrekord.

Die Physiker schickten die Photonen in einem von zwei Zuständen auf den Weg durch die Glasfaser. Sie konnten entweder „früh“ oder „spät“ innerhalb einer Zeitspanne von nur einer Nanosekunde sein. Die mit ihnen verschränkten Photonen nehmen den jeweils anderen Zustand ein. Solange die Zustände der Photonen nicht gemessen werden, sind sie quantenmechanisch überlagert: Beide verschränkten Photonen befinden sich in beiden Zuständen zugleich.

Signalübertragung für ein Quanten-Internet?

Sobald man jedoch den Zustand des einen Teilchens misst, legt man auch den Zustand des anderen Teilchens fest – egal wie groß die Entfernung dazwischen ist. Die Schwierigkeit war jedoch bislang, den erhaltenen Zustand auch am anderen Ende einer Glasfaserleitung noch messen zu können. „Ohne die neuen Detektoren, die dieses unglaublich schwache Signal messen können, hätten wir das Experiment nie durchführen können,“ sagt Stevens.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Versuchsaufbau auch als „Repeater“ funktionieren kann: Ein eingehendes Signal wird darin verstärkt und weiter gesendet, wie es etwa bei optischen Seekabeln nötig ist. Ein Quanten-Internet erfordert ähnliche Bauteile. Physiker waren bislang der Ansicht, für die Quantenteleportation seien zu diesem Zweck Atome nötig. Dass auch Licht diese Funktion übernehmen kann, beschleunigt die Signalübertragung um ein Vielfaches. (Optica, 2015; doi: 10.1364/OPTICA.2.000832)

(National Institute of Standards and Technology (NIST), 23.09.2015 – AKR)