Vor einem Vierteljahrhundert machten theoretische Physiker der Universität Innsbruck den ersten Vorschlag, Quanteninformationen mittels Quantenrepeatern über große Entfernungen zu übertragen, was den Weg zum Aufbau eines weltweiten Quanteninformationsnetzwerks ebnen würde.
Jetzt hat eine neue Generation von Innsbrucker Forschern einen Quanten-Repeater-Knoten für die Standardwellenlänge von Telekommunikationsnetzen gebaut und Quanteninformationen über Dutzende Kilometer übertragen. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Quantennetzwerke verbinden Quantenprozessoren oder Quantensensoren miteinander. Dies ermöglicht eine abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke. Zwischen Netzwerkknoten werden Quanteninformationen durch Photonen ausgetauscht, die sich durch optische Wellenleiter bewegen. Über große Entfernungen steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen verloren gehen, dramatisch an.
Da sich Quanteninformation nicht einfach kopieren und verstärken lässt, haben vor 25 Jahren Hans Briegel, Wolfgang Dür, Ignacio Cirac und Peter Zoller, damals alle an der Universität Innsbruck, lieferte die Blaupausen für einen Quantenrepeater. Dabei handelte es sich um Licht-Materie-Verschränkungsquellen und -speicher, um eine Verschränkung in unabhängigen Netzwerkverbindungen zu erzeugen, die durch einen sogenannten Verschränkungsaustausch miteinander verbunden sind, um die Verschränkung schließlich über große Entfernungen zu verteilen.
Sogar Übertragung über 800 Kilometer möglich
Quantenphysikern um Ben Lanyon vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, die Kernbestandteile eines Quantenrepeaters zu bauen – eines voll funktionsfähigen Netzwerkknotens aus zwei Einzelmateriesystemen, der die Erzeugung einer Verschränkung mit einem Photon im Standard ermöglicht Frequenz des Telekommunikationsnetzes und Verschränkungsaustauschvorgänge.
Der Repeater-Knoten besteht aus zwei Kalziumionen, die in einer Ionenfalle innerhalb eines optischen Resonators eingefangen werden, sowie aus einer Einzelphotonenumwandlung in die Telekommunikationswellenlänge. Damit demonstrierten die Wissenschaftler die Übertragung von Quanteninformation über eine 50 Kilometer lange optische Faser, wobei der Quantenrepeater genau in der Mitte zwischen Start- und Endpunkt platziert wurde.
Die Forscher konnten außerdem berechnen, welche Verbesserungen dieser Bauart notwendig wären, um eine Übertragung über 800 Kilometer zu ermöglichen und damit eine Verbindung zwischen Innsbruck und Wien zu ermöglichen.
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V. Krutyanskiy et al, Telecom-Wavelength Quantum Repeater Node basierend auf einem Trapped-Ion Processor, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.213601