Innsbrucker Physikern ist wieder ein Rekord bei der Quantenverschränkung gelungen: Erstmals haben sie ein mit Materie verschränktes Lichtteilchen über ein 50 Kilometer langes Glasfaserkabel übertragen, berichten sie im Fachjournal „Quantum Information“. In einer Aussendung bezeichnen sie dies am Donnerstag als „Meilenstein auf dem Weg zu einem zukünftigem Quanteninternet“.

Abhörsichere Kommunikation

Beim Quanteninternet will man sich die besonderen Phänomene der Quantenphysik u.a. für absolut abhörsichere Kommunikation zunutze machen. Das Problem dabei ist, dass Quanteninformation nicht kopiert und daher nicht über größere Distanzen in einem klassischen Netzwerk übertragen werden kann. Übertragen werden müssen vielmehr Quantenteilchen als Träger der Information, und dafür braucht es spezielle Schnittstellen.

Ben Lanyon vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist nun ein Durchbruch für solche Knotenpunkte eines zukünftigen Quanteninternets gelungen. Während es in bisherigen Experimenten nur möglich war, eine sogenannte Quantenverschränkung zwischen Materie und Licht in einem Glasfaserkabel über 100 Meter zu übertragen, schafften sie nun eine Distanz von 50 Kilometern. „Das ist um zwei Größenordnungen weiter als es bisher möglich war und eine praktikable Distanz für den Bau von regionalen Quantennetzwerken“, erklärte Lanyon in einer Aussendung.

Kalziumatom in Ionenfalle

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung besagt, dass zwei Quantensysteme wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind.

Die Innsbrucker Physiker nutzten ein in einer Ionenfalle gefangenes Kalziumatom als Ausgangspunkt ihres Experiments. Dann schrieben sie mit Laser einen Quantenzustand in das Ion ein und regten es zur Aussendung eines Lichtteilchens (Photon) an. In dessen Polarisation (Richtung der Lichtschwingung) ist die Quanteninformation gespeichert. Bei diesem Vorgang werden die Quantenzustände des Atoms und des Lichtteilchens verschränkt.

Wellenlänger verändert

Das Problem ist, dass das vom Kalziumion ausgesendete Photon mit einer Wellenlänge von 854 Nanometern in einem Glasfaserkabel nicht weit kommt, weil es rasch absorbiert wird. Lanyon änderte nun die Wellenlänge des Photons auf den optimalen Wert für Langstrecken (1.550 Nanometer), indem sie es durch einen nichtlinearen, mit einem starken Laser angestrahlten Kristall schickten. Derart „aufgeputscht“ schaffte das Photon die Reise durch eine 50 Kilometer lange Glasfaser und bleibt dabei trotz Änderung der Wellenlänge und dem langen Marsch mit seinem Ion verschränkt.

Lanyon und sein Team konnten in der Arbeit auch theoretisch zeigen, dass man mit ihrer Methode Ionen über eine Distanz von 100 und mehr Kilometer verschränken kann. Dafür müssten zwei Knoten jeweils ein verschränktes Photon über eine Distanz von 50 Kilometer zu einer Zwischenstation senden. Misst man die Lichtteilchen dort derart, dass sie ihre Verschränkung mit den Ionen verlieren, werden dadurch die beiden 100 Kilometer entfernten Ionen miteinander verschränkt und besitzen damit die selbe Quanteninformation. Derart wäre es vorstellbar, in den kommenden Jahren das weltweit erste Intercity-Licht-Materie-Quantennetzwerk zu bauen: Nur eine Handvoll Ionenfallen-Systeme würden benötigt, um beispielsweise ein Quanteninternet zwischen Innsbruck und Wien aufzubauen, betonen die Forscher.