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100-Pixel-Bild über 100 Quantenkanäle teleportiert
Quantenteleportation muss für künftige Quantennetze nicht nur weit, sondern auch mit vielen Zuständen zugleich funktionieren. Ein neues optisches Verfahren überträgt nun ein Raster aus 100 unabhängig steuerbaren räumlichen Lichtmoden parallel und teleportiert damit auch ein 100-Pixel-Bild. Die gemessenen Fidelitäten lagen über den jeweils zugehörigen klassischen Grenzwerten.
Shanghai (China). Bei der Quantenteleportation wird nicht Materie versetzt. Übertragen wird der Quantenzustand eines Systems mithilfe einer zuvor zwischen Sender und Empfänger verteilten verschränkten Ressource, sodass er an einem anderen Ort wiederhergestellt werden kann. Für größere Quantennetze reicht es jedoch nicht, einzelne Zustände nacheinander zu übertragen. Entscheidend ist auch, viele Kanäle parallel zu verarbeiten.
Bisherige Parallelansätze codieren mehrere Informationskanäle häufig gemeinsam in Eigenschaften eines einzelnen Lichtstrahls. Das kann aufwendige Dekodierung erfordern und erschwert die unabhängige Steuerung der einzelnen Kanäle. Die neue Arbeit setzt stattdessen auf räumlich getrennte optische Moden, die sich einzeln adressieren und neu konfigurieren lassen.
Forscher der East China Normal University (ECNU) um Shengshuai Liu haben dazu ein programmierbares Lichtraster aus zehn mal zehn räumlichen Moden erzeugt. Jede der 100 Moden ist unabhängig adressierbar und bildet einen natürlich räumlich getrennten Quantenkanal. So lassen sich die Kanäle gemeinsam betreiben, ohne sie zu einem schwerer einzeln steuerbaren Multiplexsignal zusammenzufassen.
Erzeugt wird das Raster mit programmierbarer holografischer Formung auf Basis eines gewichteten Gerchberg-Saxton-Algorithmus. Vereinfacht gesagt wird die Querschnittsverteilung des Laserlichts so geformt, dass 100 getrennte und gezielt steuerbare Lichtfelder entstehen. Eine dazu passende räumlich strukturierte Verschränkungsressource stellt die quantenmechanische Verbindung für die parallele Übertragung bereit.
Für die Weiterverarbeitung nutzt das Team eine messungsfreie, rein optische Vorwärtskopplung. Anders als bei Ansätzen, die für jeden Kanal eigene elektronische Auswertung und Modulation benötigen, kann die optische Anordnung alle 100 Moden gleichzeitig verarbeiten. Dadurch wächst die Zahl der parallelen Kanäle, ohne dass für jeden einzelnen eine vollständig separate Teleportationsstrecke aufgebaut werden muss.
Als Demonstration teleportierten die Forscher nicht nur das vollständige 100-Moden-Raster, sondern auch ein daraus zusammengesetztes Bild. Die offizielle Zusammenfassung der American Physical Society (APS) beschreibt ein 100-Pixel-Bild, das am Empfänger in einem Schritt rekonstruiert wurde. Entscheidend ist dabei nicht das sichtbare Bild selbst, sondern der in jeder räumlichen Mode codierte Quantenzustand des Lichtfelds.
Jede räumliche Mode trägt dabei einen eigenen Anteil an der codierten Information. Das Raster dient damit zugleich als Trägerstruktur für viele getrennte Quantenzustände. Ein Bild ist in diesem Experiment eine anschauliche Form, die gemeinsame Übertragung aller Kanäle sichtbar zu machen, nicht die Teleportation eines materiellen Gegenstands.
Ob die Übertragung den rein klassischen Fall übertrifft, wird über die Fidelität bewertet. Sie beschreibt, wie gut der rekonstruierte Quantenzustand mit dem Eingangszustand übereinstimmt. In der Studie lagen die gemessenen Fidelitäten des übertragenen Rasters und des Bildes über den jeweils zugehörigen klassischen Grenzwerten. Damit belegt das Experiment die Nutzung der quantenmechanischen Ressource für die parallele Übertragung.
Der zentrale Fortschritt liegt daher weniger in einem neuen Entfernungsrekord als in der parallelen Kapazität. Die 100 Kanäle sind räumlich getrennt und jeweils einzeln steuerbar. Das ist für künftige Quantennetze relevant, in denen viele Quantenzustände gleichzeitig zwischen Knoten verarbeitet und weitergegeben werden müssen.