Quantenteleportation gelingt mit getrennten Lichtquellen

Die Quantenverschlüsselung verspricht einen effektiven Schutz gegen Cybergefahren. Sie macht die Kommunikation mit Gesetzen der Quantenphysik abhörsicher. Der Weg zu einem Quanteninternet ist aber noch voller technischer Hürden. Forschende vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) der Universität Stuttgart haben nun einen entscheidenden Fortschritt bei einer der technisch anspruchsvollsten Komponenten erzielt, dem „Quantenrepeater“.

Weltweit ist es den Forschenden zum ersten Mal gelungen, Quanteninformationen zwischen Photonen, die aus zwei unterschiedlichen Quantenpunkten stammen, zu übertragen. Worum geht es dabei? Jede digitale Nachricht – ob WhatsApp oder Videostream – besteht aus Nullen und Einsen. Das gilt auch für die Quantenkommunikation, bei der einzelne Lichtteilchen als Informationsträger dienen. Null oder Eins codiert man dann durch zwei unterschiedliche Richtungen der Polarisation der Photonen, also deren Ausrichtung in die Horizontale und Vertikale oder auch durch eine Überlagerung beider Zustände. Da Photonen den Gesetzen der Quantenmechanik folgen, lässt sich ihre Polarisation nicht immer vollständig auslesen, ohne Spuren zu hinterlassen. Ein Lauschangriff würde zwangsläufig entdeckt werden.

Eine weitere Herausforderung: Ein bezahlbares Quanteninternet würde – genau wie das heutige Internet – Glasfasern nutzen. Licht hat darin aber nur eine begrenzte Reichweite. Normale Lichtsignale werden deshalb etwa alle 50 Kilometer mit einem optischen Verstärker erneuert. Da Quanteninformationen nicht einfach verstärkt oder kopiert und weitergeleitet werden können, funktioniert das im Quanteninternet nicht. Die Quantenphysik allerdings erlaubt, Informationen von einem Photon auf ein anderes zu übertragen, ohne diese Informationen zu kennen. Dieses Verfahren nennt man Quantenteleportation.

Darauf aufbauend entwickeln Physiker Quantenrepeater, die Quanteninformationen erneuern, bevor sie in der Glasfaser verloren gehen. Sie sollen im Quanteninternet als Knoten dienen. Die technischen Hürden sind jedoch groß: Um Quanteninformationen per Teleportation zu übertragen, müssen die Photonen ununterscheidbar sein – etwa die gleiche Ausdehnung und Farbe haben. Das ist extrem schwierig, da sie an verschiedenen Orten von unterschiedlichen Quellen erzeugt werden. Lichtquanten aus verschiedenen Quantenpunkten sind zuvor noch nie teleportiert worden, das Forschungsteam hat Halbleiterlichtquellen entwickelt, die nahezu identische Photonen erzeugen. So lassen sich auf Knopfdruck einzelne Photonen mit definierten Eigenschaften erzeugen. Dadurch können an zwei Orten fast gleiche Photonen erzeugt werden.

An der Universität Stuttgart gelang es dem Team, den Polarisationszustand eines Photons aus einem Quantenpunkt auf ein anderes aus einem zweiten Quantenpunkt zu teleportieren. Dabei erzeugt der eine Quantenpunkt ein einzelnes Photon, der andere ein verschränktes Photonenpaar. „Verschränkt“ bedeutet: Die Partner bilden quantenphysikalisch eine Einheit, auch wenn sie sich räumlich trennen. Ein Partner des Paars reist zum zweiten Quantenpunkt und interferiert mit dessen Lichtteilchen. Beide überlagern sich. Aufgrund dieser Überlagerung überträgt sich die Information des einzelnen Photons auf den entfernten Partner des Paars. Entscheidend für den Erfolg waren „Quantenfrequenzkonverter“, die minimale verbleibende Frequenzunterschiede zwischen den Photonen ausgleichen.

Im Stuttgarter Experiment waren die Quantenpunkte nur durch eine etwa zehn Meter lange Glasfaser getrennt, jedoch zeigte das Team bereits in früheren Arbeiten, dass die Verschränkung der Quantenpunkt-Photonen selbst nach einer 36 Kilometer langen Übertragung durch die Stuttgarter Innenstadt erhalten bleibt. Ein weiteres Ziel ist, die derzeit gut 70-prozentige Erfolgsrate der Teleportation zu steigern.