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Erstmals komplexe Quantenverschränkung über normale Glasfaser übertragen
Für ein künftiges Quanteninternet müssen nicht nur einzelne Lichtteilchen, sondern auch komplex verschränkte Zustände durch bestehende Glasfasern gelangen. Forschern ist dies nun erstmals mit einem Clusterzustand gelungen, der vier Quantenbits auf nur zwei Photonen verteilt. Der Versuch umfasste 29,5 Kilometer Glasfaser und zeigte zugleich, wie sich der Zustand anschließend kontrolliert auslesen lässt.
Hannover (Deutschland). In Glasfasernetzen werden verschränkte Lichtteilchen bereits über weite Entfernungen transportiert. Für ein künftiges Netzwerk aus Quantencomputern könnte das allein aber nicht ausreichen, denn komplexere Quanteninformationen benötigen miteinander verknüpfte Zustände aus mehreren Quantenbits.
Eine besonders interessante Form sind sogenannte Clusterzustände. Bei ihnen bleiben mehrere Quantenbits auf spezielle Weise verschränkt, sodass sich durch gezielte Messungen weitere Rechenschritte ausführen lassen. Bislang war ihre Übertragung über eine alltagsnahe Glasfaserstrecke allerdings eine technische Hürde.
Forscher der Leibniz Universität Hannover (LUH) um Prof. Dr. Michael Kues haben nun einen solchen Clusterzustand über eine teilweise verlegte Glasfaserverbindung übertragen und anschließend seine Verschränkung nachgewiesen. Das Experiment verbindet eine real genutzte Campusleitung mit zusätzlicher Glasfaser im Labor.
„Bisher wurden diese Clusterzustände ausschließlich unter streng kontrollierten Laborbedingungen untersucht. Für Anwendungen in künftigen Quantennetzwerken reicht das nicht – diese komplexen Zustände müssen zuverlässig über reale Glasfaserverbindungen übertragbar sein.“, erklärt Prof. Dr. Michael Kues.
Um die Verluste beim Transport zu begrenzen, kodierte das Team vier Quantenbits in nur zwei verschränkten Photonen. Jedes Lichtteilchen trug dabei zwei Quantenbits, deren Zustände in vier extrem kurzen Zeitfenstern des Lichtsignals gespeichert waren. Diese Zeitfenster lassen sich mit den bestehenden Telekommunikationsfasern übertragen.
Der Vorteil liegt in der geringeren Zahl benötigter Lichtteilchen. Werden vier Quantenbits auf vier einzelne Photonen verteilt, kann schon der Verlust eines einzigen Photons die gesamte Übertragung zunichtemachen. Die Mehrfachkodierung reduziert diese Anfälligkeit, ohne die komplexe Verschränkung aufzugeben.
Zudem erzeugten die Physiker den gewünschten Clusterzustand unmittelbar bei der Herstellung des Photonenpaars. Dafür verschoben sie die Phase eines der anregenden Laserpulse. Ein zusätzlicher, aufwendiger Quantengatter-Schritt an den erzeugten Photonen war dadurch nicht nötig.
Im Test schickten die Forscher eines der beiden Photonen durch eine bereits verlegte Verbindung zwischen zwei Instituten auf dem Universitätscampus. Der Hin- und Rückweg durch diese Leitung war insgesamt 4,5 Kilometer lang. Anschließend durchlief das Photon weitere 25 Kilometer Glasfaser, die als Spule im Labor lag.
Damit betrug der gesamte optische Weg 29,5 Kilometer, nicht aber die Länge des tatsächlich im Stadtgebiet verlegten Abschnitts. Das zweite Photon blieb im Labor. Beide Auswertestationen befanden sich ebenfalls dort, sodass noch keine Übertragung zwischen räumlich getrennten Quantencomputern demonstriert wurde.