Quantenphysik: Langstrecken-Kommunikation im Quantennetz

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Die Übertragung von Quanteninformationen über lange Strecken ist eine der größten Schwierigkeiten beim Aufbau Quantenphysik-basierter Kommunikationsnetzwerke. Physiker sind der Lösung des Problems nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Grundlage für die Übertragung von Quanteninformationen ist die sogenannte Verschränkung, die Übertragung also des quantenphysikalischen Zustandes eines Photons (Lichtteilchen) auf ein anderes. Das Ergebnis ist eine geisterhaft anmutende Synchronisation: Zwei Photonen können beispielsweise so miteinander verschränkt werden, dass ihre Polarisation - die Schwingungsebene ihrer Lichtwelle - nicht festgelegt ist. Trotzdem: Misst man anschließend die Polarisation des einen Teilchens, stimmt sie mit derjenigen seines Partner-Photons überein - auch wenn dieses kilometerweit entfernt ist.

Für ein ausgedehntes Kommunikationsnetzwerk müsste die Verschränkung allerdings über weite Strecken möglich sein - und bisher war eine Entfernung von etwa 140 Kilometern das Maximum, weil ein zu großer Teil der übertragenden Photonen absorbiert wird. Einem Team um den LMU-Physiker Julian Hoffmann ist nun gemeinsam mit Forschern des MPI für Quantenoptik ein entscheidender Fortschritt gelungen: Sie verschränkten zwei Rubidium-Atome über eine Entfernung von 20 Metern hinweg, und zwar so, dass sie ein Signal erhielten, wenn dieser Vorgang erfolgreich war.

Verschränkte Ketten übertragen Information

Das Signal erleichtert, viele Systeme von der Art des jetzt entwickelten wie die Glieder einer Kette hintereinanderzuschalten. „Ohne das Signal müsste beim Aufbau einer Kette ein viel aufwendigeres Verschränkungsverfahren angewendet werden“, sagt Harald Weinfurter, Wissenschaftler der LMU und des MPI für Quantenoptik. Mit der Methode, die die Physiker präsentieren, haben sie die Basis für einen so genannten Quantenrepeater geschaffen: Dies ist eine Art Relaisstation, die es ermöglichen könnte, die Abschwächung des Signals zu verhindern und Quanteninformationen über deutlich längere Strecken zu versenden.

Die „spukhafte Fernwirkung“, mit der Albert Einstein die Verschränkung verglich, lässt sich auch nutzen, um abhörsichere Kommunikationskanäle zu verwirklichen: Ein Lauschangriff zerstört die Verschränkung, wodurch zwangsläufig die Übereinstimmung von Messergebnissen bei Sender und Empfänger erkennbar abnimmt - der Traum einer praxistauglichen Quantenverschlüsselung über große Entfernungen rückt mit den neuen Ergebnissen ein Stück weit näher.

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München (idw)