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Wiener Physiker machen Fortschritte am Weg zu Quantennetz

Geht es nach den Vorstellungen der Quantenphysiker, wird einmal ein Quantenkommunikationsnetzwerk die Welt umspannen. Bis dorthin ist es aber noch ein weiter Weg, denn das Problem der Übertragung quantenkryptografisch verschlüsselter Information über längere Strecken ist noch nicht gelöst.

Wiener Physiker sind der Lösung nun jedoch einen entscheidenden Schritt näher gekommen: Sie fanden heraus, daß sich die Quanteninformation in Atomen, die an ein Glasfaserkabel gekoppelt sind, lange genug speichern läßt, um ein weltumspannendes Glasfaser-Quantennetzwerk zu realisieren.

Dem Physiker Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der Technischen Universität Wien und dem Vienna Center für Quantum Science and Technology ist es 2010 erstmals gelungen, Atome kontrolliert an das Licht in einer Glasfaser zu koppeln. Dazu werden Glasfasern benutzt, die so dünn sind, daß die Lichtwelle nicht vollständig hineinpasst und ein Stück über die Faser hinausragt. So kann das Licht mit den knapp außerhalb der Glasfaser sitzenden Atomen wechselwirken.

Diese Kombination von Licht und Atomen hat sich als interessantes Konzept mit vielfältigen Anwendungsperspektiven erwiesen. Rauschenbeutel konnte kürzlich zeigen, daß die Koppelung zwischen Licht und Materie unter bestimmten Bedingungen deutlich stärker erfolgen kann als bisher angenommen.

Hybrides System

Für die Quantenkommunikation bietet ein solch hybrides System Vorteile: In den Atomen läßt sich Quanteninformation sehr gut speichern, in Glasfaserkabeln die Information gut transportieren. Ausgetauscht wird die Quanteninformation über die starke Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen. Die Atome werden dabei nur etwa 200 Nanometer – ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter – von der Glasfaser entfernt festgehalten, die ihrerseits nur 500 Nanometer dick ist.

Derzeit gibt es unterschiedliche Ideen für Systeme, mit denen sich der Austausch von Quanteninformationen zwischen Licht und materiellen Speichern bewerkstelligen läßt. Bei den meisten ist es allerdings schwierig, Information effizient hineinzubringen und wieder auszulesen. Das von den TU-Forschern entwickelte System bietet den großen Vorteil, einfach ein ganz normales Glasfaserkabel verwenden zu können, wie es schon heute in der Datenübertragung zum Einsatz kommt.

“Unser Quanten-Glasfaserkabel läßt sich direkt in schon bestehenden Glasfasernetze einfügen”, so Rauschenbeutel in einer Aussendung der TU Wien.

Im Zuge ihrer Wechselwirkung können die außerhalb der Glasfaser sitzenden Atome und die Lichtteilchen (Photonen) durch das quantenphysikalische Phänomen der sogenannten Verschränkung verbunden werden. Dabei bleiben zwei verschränkte Systeme wie durch Zauberhand über beliebige Distanzen verbunden – Albert Einstein nannte das “spukhafte Fernwirkung”: Jede Handlung an dem einen System beeinflusst augenblicklich den Zustand des anderen.

Speicherzeit

Um die Quanteninformation über lange Strecken zu übertragen, muß sie allerdings auch lange genug in den Atomen gespeichert bleiben, damit die Photonen die Quanteninformation an weitere gekoppelte Atome weitergeben können. Denn sobald die Atome die ihnen eingeschriebene Information verlieren – die Physiker sprechen von “Dekohärenz”-, ist sie augenblicklich auch bei den Photonen verloren. Wenn also die Speicherzeit zu kurz ist, kommt das Licht in dieser Zeit nicht weit genug.

Durch einige “spezielle Tricks” sei es den Forschern nun jedoch gelungen, die Speicherzeit der Atome trotz des kleinen Abstands zur Glasfaser auf mehrere Millisekunden zu verlängern. In einer Millisekunde bewegt sich Licht in Glasfasern etwa 200 Kilometer weit – in dieser Größenordnung liegt daher die maximale Distanz, die auf diese Weise durch Verschränkung von Atomen überbrückt werden könnte.

Ähnlich den Repeater-Stationen in herkömmlichen Glasfasernetzen, die das schwächer werdende Lichtsignal verstärken, könnte man so mithilfe von – etwas komplizierteren – Quanten-Repeatern rund um die Welt Quanteninformation übertragen, berichten die Physiker in ihrer Arbeit .