Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird intensiv an Methoden der Quanten-Informationsübertragung gearbeitet. So könnte man abhörsichere Datenverbindungen herstellen oder vielleicht sogar eines Tages Quantencomputer miteinander verschalten.

Dazu muss es aber gelingen, die Information eines Quantensystems zuverlässig auf ein anderes zu übertragen – und das ist extrem schwierig. Gleichzeitig und unabhängig voneinander entwickelten nun zwei Forschungsteams, eines von der Universität Innsbruck und eines von der TU Wien, ein neuartiges Quanten-Kommunikationsprotokoll.

Es ermöglicht zuverlässige Quantenkommunikation sogar in Anwesenheit von störendem Rauschen. Die Grundidee beider Forschungsgruppen ist dieselbe: Ein zusätzliches Element am Anfang und am Ende der Leitung, ein sogenannter Quanten-Oszillator, soll störendes Rauschen in der Leitung unschädlich machen.

Zuverlässige Datenübertragung

Quantenkommunikations-Experimente gibt es schon lange. „Schon in den Neunzigerjahren wurde ein Quanten-Teleportations-Protokoll präsentiert, mit dem man den Zustand eines Quantensystems mit Hilfe von optischen Photonen auf ein anderes übertragen kann“, sagt Benoit Vermersch, Postdoc im Team von Prof. Peter Zoller an der Universität Innsbruck. Damit kann man riesige Distanzen überbrücken – allerdings nur wenn man in Kauf nimmt, dass die allermeisten Photonen verlorengehen und nur ein winziger Bruchteil von ihnen am Detektor ankommt.

„Uns ging es hingegen darum, einen Weg zu finden, wie man einen Quantenzustand zuverlässig von einem Ort zum anderen übertragen kann, ohne dafür mehrere Versuche zu benötigen“, erklärt Peter Rabl vom Atominstitut der TU Wien.

Besonders vielversprechende Elemente für künftige Quantentechnologien sind sogenannte „supraleitende Qbits“ – winzige Schaltkreise, die zwei verschiedene Zustände annehmen können. Im Gegensatz zu einem klassischen Lichtschalter, der immer entweder aus oder eingeschaltet ist, erlauben die Gesetze der Quantenphysik allerdings auch, dass ein solches Qbit eine beliebige Kombination dieser beiden Zustände annimmt, man spricht dann von einer Quanten-Überlagerung.

Um diese subtilen Quanten-Zustände von einem supraleitenden Qbit auf ein anderes zu übertragen, braucht man Photonen im Mikrowellenbereich, wie man sie auch heute bereits für klassische Signalübertragung verwendet. Eine zuverlässige Übertragung von Quanteninformation mit Mikrowellen galt bisher allerdings als unmöglich, weil das Rauschen der allgegenwärtigen Wärmestrahlung diese viel schwächeren Quantensignale komplett überlagert.

Neuartiges Übertragungsprotokoll

Die beiden Forschungsgruppen an der TU Wien und der Universität Innsbruck konnten nun allerdings zeigen, dass diese Einschränkung doch nicht so streng ist wie üblicherweise angenommen. In Zusammenarbeit mit Partnerteams aus Harvard und Yale (USA) konnten sie ein Übertragungsprotokoll entwickeln, mit dem sich das unvermeidliche Rauschen auslöschen lässt.

„Die Idee ist, die Qbits nicht direkt an eine Mikrowellen-Leitung anzukoppeln, sondern sowohl auf Sender- als auch auf Empfängerseite ein weiteres Quantensystem dazwischenzuschalten – einen Mikrowellen-Oszillator“, erklärt Peter Rabl.

„In der Mikrowellen-Leitung dazwischen entsteht ein Rauschen durch Wärmestrahlung, das lässt sich nicht verhindern“, sagt Benoit Vermersch. „Der entscheidende Punkt ist allerdings, dass dieses Rauschen beide Oszillatoren an beiden Enden auf die gleiche Weise beeinflusst. Daher ist es möglich, durch präzise Kontrollpulse den störenden Einfluss dieses Rauschens wieder exakt vom schwächeren Quanten-Signal zu trennen.“

„Nach unseren Berechnungen könnte man mit diesem Protokoll Qbits über hunderte Meter hinweg verbinden“, sagt Peter Rabl. „Man müsste die Leitungen dann zwar immer noch kühlen, doch auf lange Sicht ergeben sich damit technologisch durchaus machbare Möglichkeiten, ganze Gebäude oder auch Städte mit Mikrowellenleitungen quantenphysikalisch zu vernetzen.“

Originalpublikationen:

Quantum State Transfer via Noisy Photonic and Phononic. Waveguides. B. Vermersch, P.-O. Guimond, H. Pichler, and P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 118, 133601
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.118.133601

Intracity Quantum Communication via Thermal Microwave Networks. Ze-Liang Xiang, Mengzhen Zhang, Liang Jiang, and Peter Rabl. Phys. Rev. X 7, 011035
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.7.011035

Viewpoint: Microwave Quantum States Beat the Heat. Johannes Fink. Physics 10, 32

Rückfragehinweise:
Prof. Peter Rabl
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141830
peter.rabl@tuwien.ac.at

Dr. Benoit Vermersch
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck
T: +43 512 507 52259
benoit.vermersch@uibk.ac.at