Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Fortschritt in der Quantenkommunikation: Physiker realisieren einen stabilen "Quanten-Repeater"

28.08.2008
Heute in "Nature": Wissenschaftlern der Universität Heidelberg, der University of Science and Technology of China und der TU Wien ist ein weiterer großer Schritt auf dem Weg zur Realisierung von Quantenkommunikation über große Distanzen gelungen

In ihren Experimenten konnten sie einen stabilen "Quantenrepeater" (in etwa: Quanten-Umsetzer) realisieren, der das Potential hat, in zukünftigen Quantenkommunikations-Netzwerken als zentraler Baustein zu dienen. Will man Daten über große Entfernungen übertragen, muss man der unvermeidbaren Abschwächung durch Verstärkung des übermittelten Signals entgegenwirken. Diese Regeneration des übermittelten Signals wird bei klassischer Kommunikation in so genannten Repeaterstationen durchgeführt.


In einem Quantennetzwerk befinden sich zwei benachbarte Atomensembles, die als Kommunikationsknoten dienen und jeweils mit einzelnen Photonen verschränkt sind. Die ultrakalten Atome, die als Quantenspeicher dienen, werden mittels Laserlichtkühlung durch magneto-optische Fallen in ultrahochvakuumtauglichen Glaszellen bereit gestellt. Die beiden Ensembles werden in einen gemeinsamen verschränkten Zustand überführt, indem eine gemeinsame Bell-Zustandsmessung an den beiden Einzelphotonen stattfindet. Der verschränkte Zustand der Atomensembles kann für weitere Verbindungen wieder ausgelesen werden. Der Helligkeitsverlauf der roten Lichtleiter gibt den Photonenverlust wieder. Der Glaswürfel ist ein so genannter polarisierender Strahlteiler (PBS), der für die kollektive Bell-Messung benötigt wird. Grafik: Julia Gless

Wenn Quanteninformation übermittelt werden soll, verhindern die gleichen fundamentalen Prinzipien der Quantenphysik, die Quantenkommunikation absolut sicher machen, eine solche Verstärkung, ohne dass dabei die übermittelte Information verloren geht.

In der Ausgabe vom 28. August des Wissenschaftsmagazins "Nature" berichten Professor Jian-Wei Pan und seine Kollegen über die Realisierung eines stabilen Quantenrepeaters, und demonstrieren erstmalig einen Verschränkungs-Austausch mit dem Speichern und Auslesen von Licht. In dem Experiment wurde Quantenverschränkung, ein essentieller Bestandteil von Quanteninformationsverarbeitung, zwischen zwei räumlich getrennten, durch ein 300 Meter langes Glasfaserkabel verbundenen Atomensembles erzeugt. Die gespeicherten verschränkten Quantenzustände wurden nach einer festgelegten Speicherzeit auf Photonen übertragen und dadurch verifiziert.

Der sichere Austausch von Information ist ein wichtiger Eckpfeiler unserer Informationsgesellschaft. Quantenkommunikation, die Übermittlung von Daten codiert in Quantenbits, basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und bietet eine effiziente und absolut sichere Methode, Informationen in einem Netzwerk auszutauschen. Zurzeit beschränken unvermeidbare Verluste (Absorption der Photonen im Kommunikationskanal) die Reichweite von Quantenkommunikation. Daher wächst die Anzahl der benötigten Ressourcen exponentiell mit der Distanz.

Um dieses Problem zu lösen, schlugen 1998 Briegel, Dür, Cirac und Zoller (BDCZ) vor, Quantenrepeater zu bauen. Die Grundidee dabei ist, den Kommunikationskanal in mehrere kurze Segmente zu unterteilen. Die Verschränkung wird nun zuerst in hoher Qualität in den kurzen Segmenten aufgebaut. Anschließend werden diese durch einen so genannten Verschränkungstausch verbunden. Die benötigten Ressourcen dieses Quantenkommunikationsprotokolls wachsen deutlich langsamer mit zunehmender Kommunikationsdistanz als bei früheren Protokollen und sind damit praktisch umsetzbar. Dies setzt voraus, dass die in den Zwischenstufen erzeugte Verschränkung in einem Quantenspeicher konserviert werden kann.

In der Verbindung des BDCZ-Protokolls mit Quantenspeichern liegt die zentrale Herausforderung. Dies wurde innerhalb dieser Arbeit durch die Realisierung eines funktionellen BDCZ-Quantenrepeaters erfolgreich demonstriert.

Im Experiment werden zuerst zwei Ensembles von je einer Million ultrakalter Atome mit einer Temperatur von 100 MikroKelvin (-273,15 °C) in zwei magneto-optischen Fallen erzeugt. In jedem Ensemble wird dann durch einen Raman-Streuprozess ein gemeinsamer Quantenzustand der Atome mit jeweils einem Photon verschränkt. Im Folgenden werden die Ensembles in einen verschränkten Zustand überführt, indem eine gemeinsame Bell-Zustandsmessung an den beiden einzelnen Photonen durchgeführt wird, der so genannte Verschränkungstausch. Dazu werden diese Photonen zuvor durch eine 300 Meter lange Glasfaser geleitet. Die so erzeugte Verschränkung ist nun in den Atomen gespeichert und kann später ausgelesen, verifiziert und weiter verwendet werden, indem man den atomaren Quantenzustand wieder auf neue Photonen überträgt.

Die hier demonstrierte Methode, Verschränkung durch eine gemeinsame Bell-Messung an den Photonen zu erzeugen, ist intrinsisch robust; im speziellen ist sie unabhängig von deren Phase, und deswegen kaum empfindlich auf Längenänderungen im Kommunikationskanal. Dies ist essentiell, um Verschränkung und Verschränkungsverbindung zwischen Quantenspeichern über lange Strecken zu ermöglichen, beides zentrale Elemente eines funktionstüchtigen Quantenrepeaters mit stationären atomaren QuBits als Quantenspeicher und fliegenden photonischen QuBits als Quanten-Nachrichtenträger.

Die Autoren gehen davon aus, dass die experimentell demonstrierten Elemente zu einem Quantennetzwerk erweitert werden können; für eine robuste Anwendung müssen aber Qualität des Quantenspeichers und Atom-Photon-Verschränkung noch signifikant verbessert werden.

Originalarbeit:
Zhen-Sheng Yuan, Yu-Ao Chen, Bo Zhao, Shuai Chen, Jörg Schmiedmayer, Jian-Wei Pan, Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node, Nature, DOI: 10.1038/nature07241.
Kontakt:
Prof. Dr. Jian-Wei Pan oder
Dr. Yu-Ao Chen
Physikalisches Institut
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Philosophenweg 12, D-69120 Heidelberg
Tel. +49-6221-549374, Fax +49-6221-475733
jian-wei.pan@physi.uni-heidelberg.de
yuao@physi.uni-heidelberg.de

Dr. Michael Schwarz | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne
20.07.2018 | Universität Rostock

nachricht Maschinelles Lernen: Neue Methode ermöglicht genaue Extrapolation
13.07.2018 | Institute of Science and Technology Austria

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics