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Sendungsverfolgung für die Quantenpost

Detektor weist transportierte Qubits ohne Störung der Quanteninformation nach

Resonator
Ein Atom am verspiegelten Kreuzungspunkt von zwei Glasfasern dient als Detektor für die Sendungsverfolgung von Qubits. © Christoph Hohmann/ MCQST

Alarm bei Übertragungsverlust: Physiker haben einen Detektor entwickelt, der den Verlust von Quantenbits bei der Übertragung überwacht. Das spart Aufwand und Zeit bei der Quantenkommunikation über das Glasfasernetz. Denn sind die Qubit-Photonen verloren gegangen, kann eine neue Sendung geschickt werden, bevor aufwändige Ausleseprozesse starten, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Quantenkommunikation gilt als zukunftsträchtige Technologie, um Informationen sicher verschlüsselt zu übertragen. Denn dank verschränkter Photonen als Datenträger verändert jedes unautorisierte Auslesen die Information und fällt damit auf. Erste Quantennetzwerke, Quantenmodems und sogar Satellitenübertragungen verschränkter Photonen wurden bereits entwickelt. Auch in städtischen Glasfasernetzen wurden schon Quanten-Informationen verschickt.

Hohe Verlustrate bei der Qubit-Übertragung

Doch einen Haken gibt es: Die Quantenkommunikation ist wenig effizient. Beim Verschicken durch Luft oder Glasfaser werden die meisten verschränkten Photonen absorbiert oder abgelenkt und kommen nicht an. Bei einer Übertragung über 100 Kilometer müssten tausende Photonen auf den Weg gebracht werden, um ein einziges Qubit erfolgreich zu übermitteln. Weil das Auslesen und Weiterverarbeiten der Quanteninformation oft aufwändig ist, ist dies bislang wenig praktikabel.

Deshalb haben nun Forscher um Dominik Niemietz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik eine Art Sendungsverfolgung für Qubits entwickelt. Mit ihr lässt sich schon zwischendrin erfahren, ob ein Qubit-Photon noch existiert oder unterwegs abhanden gekommen ist. „Sollte das der Fall sein, kann der Sender das Qubit mit deutlich weniger Verzögerung noch einmal senden, als wenn der Verlust erst beim Empfänger auffällt“, erklärt Niemietz.

Gefangenes Atom als Detektor

Die Entscheidende Voraussetzung für einen solchen Detektor ist jedoch, dass er die Quanteninformation dabei nicht ausliest – denn das würde das Qubit zerstören. „Wir detektieren das Qubit-Photon also nur und messen es nicht“, so Niemietz. „Das ist deshalb so entscheidend, weil es die Gesetze der Quantenphysik ausschließen, ein Qubit 1 zu 1 zu kopieren – darauf beruht die Quantenkryptografie.“ Ähnlich wie die Sendungsverfolgung der Post verfolgt der Detektor zwar den Weg des „Päckchens“, schaut aber nicht hinein.

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Um das zu erreichen, arbeiten die Forscher mit einem Atom, das in einem Raum aus vier kreuzförmig angeordneten Spiegeln eingefangen ist. Physiker sprechen von zwei senkrecht aufeinander stehenden Resonatoren. Wenn nun ein Photon durch die Glasfaser ankommt, wird es reflektiert und beeinflusst dabei den Spin des Atoms – wie durch eine Art sanften Schubs. Weil die Quanteninformation nicht im Spin, sondern in der Polarisation des Photons steckt, bleibt sie von dieser Interaktion unberührt.

Ob diese Interaktion stattgefunden hat oder nicht, zeigt der Detektor durch ein Leuchtsignal: Ist das Atom unverändert, lässt es sich mit einem Laserstrahl zum Leuchten anregen. Wurde es durch den Kontakt mit dem Photon verändert, bleibt es dagegen dunkel.

Zuverlässigkeit noch ausbaufähig

Welche Vorteile eine solche „Sendungsverfolgung“ für die Quantenkommunikation hätte, hat das Team anhand von Tests und Modellrechnungen ermittelt. Demnach würde der Detektor, den sie für ihr Experiment verwendeten, die Übertragung von Quanteninformation schon ab einer Strecke von 14 Kilometern beschleunigen. „Ein Detektor für photonische Qubits kann aber auch auf kürzeren Strecken nützlich sein“, sagt Niemietz‘ Kollege Pau Farrera.

Dafür müsste der Nachweis allerdings noch zuverlässiger funktionieren, als er es in dem aktuellen Experiment tat. „Das ist aber kein prinzipielles Problem, sondern nur ein technisches“, erklärt der Physiker. Denn bislang wird nur rund ein Drittel der eintreffenden Photonen im Spiegelkäfig reflektiert, vom Atom registriert und weitergeschickt. „Diese Effizienz können wir aber durch die Wahl eines geeigneteren Resonators auf fast 100 Prozent erhöhen“, erklärt Farrera.

Nützlich auch für die Ankunftsbestätigung

Nutzbringend wäre ein solcher Qubit-Detektor aber nicht nur, um frühzeitig den Verlust von Qubits anzuzeigen, damit neue losgeschickt werden können. Er könnte auch das Eintreffen einer Quantenpost am Zielort bestätigen. Das ist dann sinnvoll, wenn die im Photon verpackte Information aufwendig weiterverarbeitet wird, zum Beispiel wenn sie auf verschränkte Atome übertragen werden soll. „Verschränkung zu erzeugen, ist aufwendig“, erklärt Niemietz‘ Kollege Gerhard Rempe. „Man sollte sie für die Verarbeitung eines Qubits nur nutzen, wenn sicher ist, dass dieses Qubit auch da ist.“

In künftigen Experimenten wollen Rempe und sein Team demonstrieren, wie die Sendungsverfolgung praktisch eingesetzt wird: „Wir möchten den Detektor zum Beispiel für Quantenkommunikation zwischen unserem Institut in Garching und einem weiter entfernten Standort verwenden, um den Schritt aus unserem Labor hin zur praktischen Anwendung zu machen“, sagt der Max-Planck-Direktor. „So kommen wir unserem großen Fernziel, dem Quanteninternet, wieder ein Stück näher.“ (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03290-z)

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

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