Quantenteleportation ermöglicht die Übertragung von Quanteninformationen an einen entfernten Ort mithilfe von Quantenverschränkung und klassischer Kommunikation. Dies wurde mit unterschiedlichen Raten unabhängiger Photonen des Quantenlichts erreicht, von Tischexperimenten bis hin zu Demonstrationen in der realen Welt.
Mit einem erdnahen Micius-Satelliten ist es Forschern nun gelungen, eine Quantenteleportation über 1200 km zu erreichen. Bisher gibt es kein Quantenteleportationssystem, dessen Geschwindigkeit die Größenordnung von Hertz erreichen kann, was zukünftige Anwendungen des Quanteninternets behindert.
In einem Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Guangcan Guo und Prof. Qiang Zhou von der University of Electronic Science and Technology of China (UESTC) in Zusammenarbeit mit Prof. Lixing You vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Teleportationsrate auf Basis des „No. 1 Metropolitan Quantum Internet of UESTC“ erstmals auf 7,1 Qubits pro Sekunde verbessert.
Dies stellt einen neuen Rekord für ein Quantenteleportationssystem über eine Metropolregion dar.
„Die Demonstration der Hochgeschwindigkeits-Quantenteleportation außerhalb eines Labors bringt eine ganze Reihe von Herausforderungen mit sich. Dieses Experiment zeigt, wie diese Herausforderungen bewältigt werden können, und stellt damit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum zukünftigen Quanteninternet dar“, sagte Prof. Qiang Zhou, der korrespondierende Autor dieser Arbeit.
Die größte experimentelle Herausforderung in einem realen Quantenteleportationssystem ist die Durchführung der Bell-Zustandsmessung (BSM). Um die erfolgreiche Quantenteleportation sicherzustellen und die Effizienz von BSM zu verbessern, müssen Alices und Bobs Photonen an Charlies Standort nach der Fernübertragung über Glasfaser nicht zu unterscheiden sein. Das Team entwickelte ein voll funktionsfähiges Rückkopplungssystem, das die schnelle Stabilisierung der Weglängendifferenz und Polarisation der Photonen realisierte.
Gleichzeitig verwendete das Team ein einzelnes Stück eines periodisch gepolten Lithiumniobat-Wellenleiters mit Faserpigtails, um die verschränkten Photonenpaare zu erzeugen. Darauf aufbauend wurde eine hochwertige quantenverschränkte Lichtquelle mit einer Wiederholrate von 500 MHz für das Teleportationssystem entwickelt.
Eine solche schnelle Quantenteleportation auf Basis der Quantenoptik erfordert die empfindlichsten Photonensensoren, um möglichst viele Ereignisse zu erfassen. Das von Prof. Lixing You geleitete Team stellte zusammen mit Kollegen von Photon Technology Co., LTD leistungsstarke supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren für das Experiment bereit. Mithilfe der Detektoren mit hervorragender Effizienz und nahezu keinem Rauschen wurden hocheffiziente BSM- und Quantenzustandsanalysen erreicht.
Das Team verwendete sowohl die Quantenzustandstomographie als auch die Decoy-State-Methode, um die Teleportationsgenauigkeiten zu berechnen, die deutlich über dem klassischen Grenzwert (66,7 %) lagen, was bestätigte, dass nun eine Hochgeschwindigkeits-Quantenteleportation in Großstädten erreicht wurde.
Das „No. Das Team prognostiziert außerdem, dass diese Infrastruktur die praktische Anwendung des Quanteninternets weiter vorantreiben wird.
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Si Shen et al., Metropolen-Quantenteleportation mit Hertz-Rate, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01158-7