Test eines Prototyps eines Quanteninternets läuft einen halben Monat unter New York City

Um Quantennetzwerke auf den Markt zu bringen, müssen Ingenieure die Fragilität der verschränkten Zustände in einem Glasfaserkabel überwinden und die Effizienz der Signalübertragung sicherstellen. Wissenschaftler bei Qunnect Inc. in Brooklyn, New York, haben nun einen großen Schritt nach vorne gemacht, indem sie ein solches Netzwerk unter den Straßen von New York City betreiben.

Zwar ist es anderen bereits gelungen, verschränkte Photonen zu übertragen, doch in der Glasfaserumgebung herrschte zu viel Rauschen und Polarisationsdrift, als dass die Verschränkung überleben könnte, insbesondere in einem langfristig stabilen Netzwerk.

„Hier kommt unsere Arbeit ins Spiel“, sagt Mehdi Namazi, Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter von Qunnect. Das Netzwerkdesign, die Methoden und die Ergebnisse des Teams sind veröffentlicht In PRX Quantum.

Für ihr Prototyp-Netzwerk verwendeten die Qunnect-Forscher einen gemieteten 34 Kilometer langen Glasfaserkreis, den sie GothamQ-Loop nannten. Mithilfe von polarisationsverschränkten Photonen betrieben sie den Loop 15 Tage lang ununterbrochen und erreichten eine Verfügbarkeit von 99,84 % und eine Kompensationsgenauigkeit von 99 % für verschränkte Photonenpaare, die mit einer Übertragungsrate von etwa 20.000 pro Sekunde übertragen wurden. Bei einer halben Million verschränkter Photonenpaare pro Sekunde lag die Genauigkeit immer noch bei fast 90 %.

Die Polarisation eines Photons ist die Richtung seines elektrischen Felds. (Das ist vielleicht leichter zu verstehen in das Wellenbild des Lichts.) Sie kennen das Phänomen vielleicht von polarisierten Sonnenbrillen. Dabei handelt es sich um Filter, die Licht einer Polarisationsrichtung durchlassen, andere jedoch blockieren und so beispielsweise die Blendwirkung von Wasser, Schnee und Glas verringern.

Polarisierte Photonen sind nützlich, weil sie leicht zu erzeugen, einfach zu manipulieren (mit Polarisationsfiltern) und zu messen sind.

Polarisationsverschränkte Photonen wurden in den letzten Jahren zum Aufbau großer Quantenrepeater, verteilter Quantencomputer und verteilter Quantensensornetzwerke verwendet.

Quantenverschränkung, das Thema der Nobelpreis für Physik 2022ist das besondere Quantenphänomen, bei dem Teilchen innerhalb eines Quantenzustands eine – manchmal über große Distanzen – Verbindung haben, sodass durch die Messung der Eigenschaft eines Teilchens automatisch die Eigenschaften anderer Teilchen bestimmt werden, mit denen es verschränkt ist.

In ihrem Entwurf wird ein Infrarotphoton mit einer Wellenlänge von 1.324 Nanometern mit einem Nahinfrarotphoton von 795 nm verschränkt. Letzteres Photon ist in Wellenlänge und Bandbreite mit den Rubidium-Atomsystemen kompatibel, wie sie in Quantenspeichern und Quantenprozessoren verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass die Polarisationsdrift sowohl wellenlängen- als auch zeitabhängig ist, sodass Qunnect Geräte zur aktiven Kompensation bei denselben Wellenlängen entwerfen und bauen musste.

Um diese verschränkten zweifarbigen Photonenpaare zu erzeugen, wurden gekoppelte Eingangsstrahlen bestimmter Wellenlängen durch eine mit Rubidium-78 angereicherte Dampfzelle geschickt, wo sie die Rubidiumatome innerhalb der Zelle anregten, wodurch ein äußeres Elektron zweimal überging, nämlich von einem 5p-Orbital zu einem 6s-Orbital.

Aus diesem doppelt angeregten Zustand wurde manchmal ein Photon mit 1.324 nm emittiert, und ein nachfolgender Elektronenzerfall erzeugte ein weiteres Photon mit 795 nm.

Sie schickten 1.324 nm polarisationsverschränkte Photonenpaare in Quantenüberlagerungen durch die Faser, einen Zustand mit horizontaler und einen mit vertikaler Polarisation – eine Zwei-Qubit-Konfiguration, die allgemein als Bell-Zustand bekannt ist. In einer solchen Überlagerung befinden sich die quantenmechanischen Photonenpaare gleichzeitig in beiden Zuständen.

In optischen Kabeln sind solche Photonensysteme jedoch anfälliger für Störungen ihrer Polarisation durch Vibrationen, Biegungen und Druck- und Temperaturschwankungen im Kabel und können häufige Neukalibrierungen erfordern. Da es fast unmöglich ist, diese Art von Störungen zu erkennen und zu isolieren, geschweige denn zu mildern, hat das Qunnect-Team Geräte zur automatischen Polarisationskompensation (APC) entwickelt, um sie elektronisch auszugleichen.

Indem sie klassische, nicht verschränkte Photonenpaare von 1.324 nm mit bekannter Polarisation durch die Glasfaser schickten, konnten sie messen, wie stark ihre Polarisation driftete oder verändert wurde. Die Polarisationsdrift wurde bei vier Übertragungsdistanzen gemessen: null, 34, 69 und 102 km, indem die klassischen Photonen null, ein, zwei oder drei Mal um die Metropolitan Loop unter den Straßen von Brooklyn und Queens geschickt wurden. Anschließend verwendeten sie die APCs, um die Polarisation der verschränkten Paare zu korrigieren.

Qunnects GothamQ-Loop-Demonstration war besonders bemerkenswert wegen ihrer Dauer, der unbeaufsichtigten Betriebszeit und der prozentualen Verfügbarkeit. Sie zeige, so schrieben sie, „Fortschritte hin zu einem vollautomatischen praktischen Verschränkungsnetzwerk“, das für ein Quanteninternet erforderlich wäre. Namazi sagte, dass „wir seit Abschluss dieser Arbeit alle Teile bereits in Racks montiert haben, sodass sie überall verwendet werden können“ – eine kombinierte Ausrüstung, die sie Qu-Val nennen.

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