Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenkommunikation auf Glasfaserbasis - Interferenz mit Lichtquanten unabhängiger Quellen

23.10.2018

Wissenschaftler arbeiten weltweit an der absolut abhörsicheren Kommunikation – der sogenannten Quantenkommunikation. Für große Übertragungsdistanzen basiert die Technik auf Signalverstärkern, bei der die Interferenz (Überlagerung) von zwei Photonen, also zweier einzelner Lichtteilchen, eine zentrale Rolle spielt. Physiker der Universität Stuttgart und der Universität des Saarlandes konnten zeigen, dass man mit Hilfe von Kristallen einzelne Lichtteilchen manipulieren und trotzdem deren entscheidende quantenmechanische Natur beobachten kann. Diese Manipulation ist nötig, um Information mithilfe der Glasfasertechnik zu übertragen und so ein flächendeckendes Quantennetzwerk aufzubauen.

Ein Quantennetzwerk basiert auf der Übertragung einzelner Photonen, die als „mobile“ Quantenbits dienen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Lichtteilchen beim Empfänger ankommt, sinkt grundsätzlich mit steigender Glasfaserstrecke.


Emission einzelner Lichtteilchen von räumlich getrennten Quantenpunkten. Die Lichtteilchen werden mit Hilfe von Kristallen und starkem Laserlicht in ihrer Wellenlänge verändert.

Universität Stuttgart/Kolatschek

Um Daten über Distanzen von wenigstens 10 bis 100 km austauschen zu können, müssen die Lichtteilchen deshalb eine bestimmte Wellenlänge besitzen. Doch selbst dann sind für ein kontinentales Netzwerk Stationen nötig, in denen das Signal wiederholt bzw. aufbereitet wird. Diese, sogenannten Quantenrepeater (englisch: „Wiederholstation“) unterscheiden sich allerdings grundlegend von Signalverstärkern der klassischen Kommunikationstechnik.

Quantenrepeater müssen die Teilstrecken mithilfe von Quanteneffekten überbrücken. Sie basieren auf der Interferenz einzelner Lichtteilchen, die von räumlich voneinander entfernten, unabhängigen Emittern ausgesendet werden.

„In unserem Fall verwenden wir Halbleiternanostrukturen als Emitter der Lichtteilchen. Sie haben den Vorteil, dass sie mit rekordverdächtiger Rate Photonen aussenden“, erklärt Jonas Weber, der im Projekt für die Erzeugung und Interferenz der Photonen zuständig war. „Das ist wichtig für eine schnelle Datenübertragung“, so der Doktorand am Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) der Universität Stuttgart.

Die gängigen Nanostrukturen, auch Quantenpunkte genannt, senden jedoch meist Lichtteilchen aus, deren Wellenlänge nicht auf die Übertragung mit Glasfasern angepasst ist. Um die vielen Vorzüge von Quantenpunkten dennoch nutzbar zu machen, wurden von der Arbeitsgruppe Quantenoptik um Prof. Christoph Becher der Universität des Saarlandes zwei unabhängige Quanten-Frequenzkonverter aufgebaut.

Diese Konverter enthalten spezielle Kristalle. Überlagert man in ihnen die einzelnen Lichtteilchen mit starkem Laserlicht, so kann deren Wellenlänge manipuliert werden.

„Erst dann können die Lichtteilchen über die angepeilten 10-100 km Glasfaserstrecke übertragen werden. Ohne diese Vorbereitung müsste man in 1-km-Abständen Signalverstärker aufbauen. Das wäre wohl nicht realisierbar“, meint Benjamin Kambs, der als Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Becher maßgeblich an der Entwicklung der beiden Frequenzkonverter beteiligt war.

Die Physiker konnten nun zeigen, dass man trotz der nötigen Manipulation den elementaren Quanteneffekt noch beobachten kann. So wurden die einzelnen Lichtteilchen durch eine 2-km Glasfaserstrecke gesendet und danach erfolgreich zur Interferenz gebracht. Das ist nicht selbstverständlich angesichts der im Allgemeinen extrem fragilen Natur von Quantenzuständen.

„Dieses sehr komplexe Experiment konnte nur aufgrund der langjährigen Kollaboration der Universitäten Stuttgart und des Saarlandes und nur in sehr guter Teamarbeit erfolgreich sein. Es zeigt, dass Halbleiterquantenpunkte in Kombination mit Quantenfrequenzkonversion eine veritable Plattform für Quantenrepeater darstellen.“, so der Leiter des IHFG, Prof. Peter Michler.

Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachmagazin Nature Nanotechnology veröffentlicht.*

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Peter Michler, Universität Stuttgart, Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Tel.:+49 (0)711/685-64660, p.michler@ihfg.uni-stuttgart.de

Originalpublikation:

Originalpublikation: J. H. Weber, B. Kambs et al., Two-photon interference in the telecom C-band after frequency conversion of photons from remote quantum emitters, Nature Nanotechnology, 2018 https://doi.org/10.1038/s41565-018-0279-8

Andrea Mayer-Grenu | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Radar des Fraunhofer FHR analysiert Deorbiting-Systeme für mehr Nachhaltigkeit in der Raumfahrt
17.01.2019 | Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR

nachricht Mobilfunktechnik für die Industrie 4.0
10.01.2019 | Technologie-Zentrum Informatik und Informationstechnik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Im Focus: Nanocellulose for novel implants: Ears from the 3D-printer

Cellulose obtained from wood has amazing material properties. Empa researchers are now equipping the biodegradable material with additional functionalities to produce implants for cartilage diseases using 3D printing.

It all starts with an ear. Empa researcher Michael Hausmann removes the object shaped like a human ear from the 3D printer and explains:

Im Focus: Roter Riesenvollmond in den Morgenstunden des 21. Januar

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Frühaufsteher sind diesmal im Vorteil: Wer am Morgen des 21. Januar 2019 vor 6:45 Uhr einen Blick an den Himmel wirft, kann eine totale Mondfinsternis bestaunen. Dann leuchtet der sonst so strahlende Vollmond zwischen den Sternbildern Zwillingen und Krebs glutrot.

Um das Finsternis-Spektakel in seiner gesamten Länge zu verfolgen, muss man allerdings sehr früh aus dem Bett: Kurz nach 4:30 Uhr beginnt der Mond sich langsam...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Erstmalig in Nürnberg: Tagung „HR-Trends 2019“

17.01.2019 | Veranstaltungen

Wie Daten und Künstliche Intelligenz die Produktion optimieren

16.01.2019 | Veranstaltungen

Unsere digitale Gesellschaft im Jahr 2040

16.01.2019 | Veranstaltungen

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

Forscher der TU Dresden finden neuen Ansatz für Therapien für neurodegenerative Erkrankungen

17.01.2019 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig in Nürnberg: Tagung „HR-Trends 2019“

17.01.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Logistik-Optimierung am Frankfurter Flughafen – „Smart Air Cargo Trailer“ gestartet

17.01.2019 | Verkehr Logistik

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