Kommunikation im Quantennetzwerk

Garching – Unsere heutige Kommunikation wäre ohne Netzwerke, die sich um die ganze Welt spannen, undenkbar. Will man in Zukunft Quantencomputer miteinander verbinden oder abhörsichere Botschaften hin- und herschicken, bedarf es allerdings neuartiger Netzwerke mit fundamental anderen Eigenschaften. Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching ist es jetzt gelungen, ein erstes einfaches Quantennetzwerk mit zwei Knotenpunkten zu entwickeln. Die Informationen werden darin mit Photonen übertragen, welche den Quantenzustand eines Rubidiumatoms an ein anderes vermitteln.

Da der Datenaustausch nur funktioniert, wenn Atom und Photon stark genug miteinander wechselwirken, fixierten die Wissenschaftler die Rubidiumatome mit Laserstrahlen zwischen zwei hoch reflektierenden Spiegeln. Die Spiegel bilden einen Resonator: Wird das Atom zur Aussendung eines Photons angeregt, dann reflektieren sie das Lichtquant viele tausend Mal und die Wechselwirkung nimmt zu. Bei diesem Vorgang wird der Quantenzustand des Atoms auf das Photon abgebildet, indem dieses entsprechend polarisiert wird. Die Quanteninformation wird also in der Richtung kodiert, in die das Licht schwingt.

Anschließend wurde das Photon durch ein sechzig Meter langes Glasfaserkabel zum zweiten Knoten des Netzwerks übertragen, der sich in einem anderen Laborraum befand. Wie auch der Senderknoten (Knoten A) besteht der Empfängerknoten (Knoten B) aus einem Rubidiumatom in einem optischen Resonator. Das Atom absorbiert das Photon und nimmt dadurch den Quantenzustand des Atoms aus Knoten A an. Knoten B könnte die übertragene Quanteninformation nun speichern oder zurück an Knoten A senden. Um die Information auszulesen, muss sie erneut auf ein Photon übertragen werden. „Dieser Ansatz für die Realisierung eines Quantennetzwerks ist vor allem deshalb so erfolgsversprechend, weil er klare Perspektiven für seine Erweiterbarkeit bietet“, sagt Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik.  

Außerdem konnte das Team eine quantenmechanische Verschränkung der beiden Quantenknoten bis zu 100 Mikrosekunden lang aufrecht erhalten. Verschränkung bedeutet, dass die Quantenzustände zweier Objekte selbst über große Distanzen eng miteinander korreliert sind. Im Versuch wird dieses quantenmechanische Phänomen ebenfalls durch das Übertragen eines Photons erreicht, dessen Polarisationszustand mit dem Quantenzustand des emittierenden Atoms verschränkt ist. „Die Verschränkung zweier Systeme über große Distanzen ist schon für sich genommen ein faszinierendes quantenmechanisches Phänomen“, erklärt Rempes Kollegin Olivia Meyer-Streng. „Sie kann aber im Prinzip auch als Ressource genutzt werden, um Quantenzustände zu teleportieren. Dies wird eines Tages nicht nur die Quantenkommunikation über sehr große Entfernungen ermöglichen, sondern vielleicht sogar ein ganzes Quanteninternet.“