Reichweiten-Rekord bei der Übertragung verschränkter Photonen über gängige Unterseekabel Quantenbotschaft per Seekabel - scinexx | Das Wissensmagazin
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Quantenbotschaft per Seekabel

Reichweiten-Rekord bei der Übertragung verschränkter Photonen über gängige Unterseekabel

Quantentlabor
Die Quantenkommunikation beruht auf dem Verschicken verschränkter Photonen – ene solche Übertragung ist nun in einem normalen Seekabel gelungen. © ÖAW/ Klaus Pichler

Wichtiger Schritt zum Quanteninternet: Forscher haben erstmals eine Quantenbotschaft über ein ganz normales Seekabel verschickt – und einen Reichweiten-Rekord erzielt. Denn die verschränkten Photonen reisten einmal von Malta nach Sizilien und zurück, dies entspricht einer Strecke von 192 Kilometern. Trotz dieser Entfernung blieben die Quantensignale ohne besondere Anpassungen an der Leitung stabil und nachweisbar, wie die Wissenschaftler berichten.

Die Quantenkryptografie gilt als besonders abhörsichere Kommunikationsmethode. Möglich wird dies durch Nutzung von verschränkten Lichtteilchen als Informationsträgern: Weil jede Zustandsänderung eines verschränkten Photons auch den Zustandswechsel beim Partner bewirkt, lässt sich so Information instantan, manipulationssicher und über große Entfernungen hinweg übertragen. Bisher wurde eine solche Quantenkommunikation bereits in städtischen Glasfasernetzen umgesetzt, aber auch per Satellit zwischen Kontinenten.

Seekabel-Strecke
Die Karte zeigt von den Quantensignalen im Seekabel zurückgelegte Strecke. © NASA Worldview/ EOSDIS

Untersee-Übertragung zwischen Malta und Sizilien

Jetzt ist es Forschern erstmals gelungen, eine quantenverschlüsselte Nachricht auch über ein ganz normales Seekabel zu verschicken. Das Besondere daran: In solchen Glasfaserkabeln nimmt die Stärke optischer Signale mit zunehmender Strecke ab, auch verschränkte Photonen können dabei verloren gehen. „Die größte Sorge ist dabei die Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie der Bewegung oder den Temperaturveränderungen entlang der Leitung“, erklären Sören Wengerowsky vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien und seine Kollegen.

Ob sich Quantenbotschaften auch über normale Glasfaser-Seekabel verschicken lassen und wie groß die Reichweite ist, haben Wengerowsky und sein Team nun getestet. Dafür erzeugten sie zunächst Photonenpaare, die über ihre Polarisation miteinander verschränkt waren: Verändert sich bei einem dieser Lichtteilchen durch Messung die Schwingungsebene, geschieht dies automatisch auch beim verschränkten Partner. Für ihren Test maßen die Forscher die Polarisation eines Photonenpartners direkt vor Ort, den anderen Partner sendeten sie über ein Seekabel von Malta nach Sizilien und zurück.

Stabil über 192 Kilometer

Würde die Verschränkung und damit die Quantenverschlüsselung diese insgesamt 192 Kilometer lange Strecke überdauern? Es gelang: Die Quantenkommunikation blieb auch über diese Entfernung hinweg bestehen – ein neuer Rekord. Die Übertragungsrate war zwar mit vier Bit pro Sekunde noch eher niedrig, dafür lag die Zuverlässigkeit des Signals trotz der Entfernung bei 85 Prozent, wie Wengerowsky und sein Team berichten.

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Nach Ansicht der Forscher demonstriert dies, dass eine Quantenkommunikation auch in den bereits etablierten Unterseeleitungen problemlos möglich ist. „Wir zeigen über einen Zeitraum von mehr als sechs Stunden, dass wir ohne weitere Stabilisierungen die Verbindung über die lange Distanz aufrecht erhalten können“, sagt Wengerowsky.

Schritt zum Quantennetz

Eine solche Nutzung bestehender Telekommunikations-Infrastruktur würde die Einführung eines künftigen Quanteninternets bedeutend erleichtern. „Diese Arbeiten könnten einen wichtigen Startpunkt für ein europäisches Quantennetzwerk darstellen“, betont Seniorautor Rupert Ursin vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation. „Ein solches Netzwerk wird nicht nur abhörsicher sein, sondern es auch ermöglichen, die Potentiale der Digitalisierung voll auszuschöpfen.“ (Nature Quantum Information, 2019; doi: 10.1038/s41534-019-0238-8)

Quelle: Österreichische Akademie der Wissenschaften

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