Weniger Rauschen im Quantennetz

Rauschen ist so etwas wie der natürliche Feind der Quanteninformation. Bisher stand es einer Quantenkommunikation außerhalb von Forschungslaboren immer wieder im Weg. Denn: Die Verschränkung, eines der wichtigsten Quantenphänomene, das sich durch die unmittelbare Verbundenheit von Teilchen über beliebige Entfernungen auszeichnet und die Basis für die Vorteile der Quantenkommunikation gegenüber herkömmlichen Methoden bildet, gilt als besonders anfällig für jegliche Störungen aus ihrem Umfeld. Schon eine geringe Interaktion mit der Umgebung kann zur Zerstörung der Verschränkung führen.

Einem internationalen Team von Forscher/innen am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es jetzt gelungen, die Quantenverschränkung weitaus robuster als bisher zu machen, wie sie aktuell im Fachjournal „Physical Review X“ berichten. Damit wird nicht nur die Verschränkung selbst sicherer, sondern kann auch über größere Distanzen aufrechterhalten werden. Ein Durchbruch, der für die Langstrecken-Quantenkommunikation – etwa zwischen Satelliten und Bodenstationen – von zentraler Bedeutung ist.

Hochdimensionale Verschränkung reduziert Rauschen

Das sogenannte „Rauschen“ wird hauptsächlich durch den Verlust von Teilchen bei der Übertragung verursacht. Üblicherweise werden für die Verschränkung Lichtteilchen (Photonen) verwendet, da sich diese mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und nur wenig mit der Umgebung wechselwirken. Dazu wird meistens die Polarisation, das heißt die Schwingungsrichtung, oder der Erzeugungszeitpunkt der Photonen als Informationsträger herangezogen.

Bei ihrem Experiment nutzten die Quantenphysiker/innen nun Schwingungsrichtung, Erzeugungszeitpunkt und Erzeugungsort. Die Information wurde also in den räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der verschränkten Lichtteilchen eingeschrieben. Das Forschungsteam konnte erfolgreich nachweisen, dass sich mit dieser hochdimensionalen Verschränkung starkes Rauschen überwinden lässt – und zwar auch außerhalb von gut isolierten Laboratorien.

„Der Grund dafür ist, dass Verschränkung bei vielen unterscheidbaren Zuständen spezielle Korrelationen aufweist, die auch bei starkem Hintergrundrauschen noch eindeutig von klassischen Korrelationen unterschieden werden können“, erklärt Marcus Huber, Koordinator der Studie und Physiker an der ÖAW.

Quantenexperimente bei Tag statt in der Nacht

Und: Erstmals könnte diese Methode der Quantenverschränkung auch bei Tageslicht funktionieren. Tatsächlich gibt es bisher nur wenige Experimente, die auch tagsüber gelingen. Weil die Sonne ein noch höheres Rauschlevel bewirkt, werden die meisten Quantenkommunikation-Experimente über Freistrahlverbindungen in der Nacht durchgeführt.

Warum eine robuste und alltagstaugliche Quantenverschränkung für zukünftige Anwendungen von Quantentechnologien wichtig ist, erläutert ÖAW-Physiker Sebastian Ecker, der Erstautor der Publikation: „Quantenverschränkung ist das Rückgrat der Quantenkommunikation. Ein sicheres Quanteninternet kann es nur geben, wenn die Verschränkung weitgehend ungestört übertragen wird. Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, wie sich die Verschränkung robuster gestalten lässt. Das ist ein weiterer wichtiger Schritt zum Quanteninternet der Zukunft.“

Sebastian Ecker
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Boltzmanngasse 3, 1090 Wien
M + 43 680 3028223
sebastian.ecker@oeaw.ac.at

„Overcoming noise in entanglement distribution“, S. Ecker, F. Bouchard, L. Bulla, F. Brandt, O. Kohout, F. Steinlechner, R. Fickler, M. Malik, Y. Guryanova, R. Ursin, M. Huber, Physical Review X 2019
DOI: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.9.041042