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Wien (tu) - An der TU Wien werden Atome quantenphysikalisch an Glasfaserkabel gekoppelt. Nun konnte gezeigt
werden, dass sich auf diese Weise Quanteninformation lange genug speichern lässt, um weltumspannende Glasfaser-Quantennetzwerke
zu realisieren.
Werden wir in Zukunft Emails quantenkryptographisch versenden? Werden wir über gewöhnliche Glasfaserkabel
Quantenzustände zwischen Kontinenten teleportieren können? Ultra-dünne Glasfasern, an die lasergekühlte
Atome angekoppelt werden, eignen sich hervorragend für Anwendungen der Quantenkommunikation. In Experimenten
an der TU Wien konnte nun gezeigt werden, dass solche Glasfasern Quantenzustände lange genug speichern können,
um zukünftig Atome über eine Distanz von hunderten Kilometern miteinander quantenmechanisch zu verschränken.
Damit ist ein Grundbaustein geschaffen, mit dem man ein globales Glasfaser-Quantenkommunikationsnetz aufbauen kann.
Atome und Licht
„In unserem Experiment verbinden wir zwei unterschiedliche quantenphysikalische Systeme“, erklärt Prof. Arno
Rauschenbeutel (Vienna Center for Quantum Science and Technology und Atominstitut der TU Wien). „Einerseits nutzen
wir Licht in Glasfaserkabeln, über die man Quanteninformation hervorragend transportieren kann, und andererseits
Atome, mit denen man die Information sehr gut speichern kann.“
Indem man die Atome etwa 200 Nanometer entfernt von einer Glasfaser festhält, die selbst nur 500 Nanometer
dick ist, kann man eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen erreichen – so lässt sich Quanteninformation
zwischen den beiden Systemen austauschen. Dieser Austausch ist die Grundlage für Technologien wie Quantenkryptographie
und Quantenteleportation.
Derzeit gibt es unterschiedliche Ideen für Systeme, die sich für quantenmechanische Operationen und für
Quanteninformationsaustausch zwischen Licht und materiellen Speichern nutzen lassen. Bei den meisten von ihnen
ist es allerdings schwierig, Information effizient hineinzubringen und wieder herauszulesen. Bei der an der TU
Wien entwickelten Technologie allerdings ist genau dieser Schritt sehr einfach: „Ein ganz normales Glasfaserkabel,
wie man es schon heute zur Datenübertragung verwendet, wird in den Versuchsaufbau hinein und wieder herausgeführt“,
sagt Arno Rauschenbeutel. „Unser Quanten-Glasfaserkabel lässt sich also direkt in schon bestehende Glasfasernetze
einfügen.“
Stabiler Quantenspeicher
Dass sich Atome kontrolliert und effizient an die Glasfaser ankoppeln lassen, hat die Forschungsgruppe schon in
der Vergangenheit gezeigt. Unbeantwortet war bisher allerdings noch die Frage, ob Quanteninformation in den Atomen
auch tatsächlich lange genug gespeichert werden kann, um eine quantenphysikalische Übertragung über
lange Strecken zu ermöglichen. Nach einer gewissen Zeit verlieren die Atome nämlich ihre eingeschriebene
Information und geben sie an die Umgebung ab – man spricht von „Dekohärenz“.
„Durch einige spezielle Tricks ist es uns gelungen, die Kohärenzzeit der Atome trotz des kleinen Abstands
zur Glasfaser auf mehrere Millisekunden zu verlängern“, sagt Rauschenbeutel. In einer Millisekunde bewegt
sich Licht in Glasfasern etwa 200 Kilometer weit – in dieser Größenordnung liegt daher die maximale
Distanz, die auf diese Weise durch Verschränkung von Atomen überbrückt werden könnte.
Ein realistisches Konzept für ein globales Quantennetzwerk
Auch heute hat man in ganz gewöhnlichen Glasfaserleitungen das Problem, dass die Reichweite des Lichts begrenzt
ist: Je länger das Kabel, umso schwächer wird das Signal. Man baut daher Repeater-Stationen ein, die
das Signal in bestimmten Abständen verstärken – dadurch wird Kommunikation über den gesamten Globus
möglich.
Ein bloßes Verstärken des Signals reicht in der Quantenphysik zwar nicht aus, trotzdem lassen sich auf
etwas kompliziertere Weise auch Quanten-Repeater bauen. Sie erlauben es, lange Quantenverbindungen aus mehreren
Teilstrecken zusammenzufügen. „Wenn man mit unseren Glasfaser-Atom-Systemen ein optisches Quantennetzwerk
mit Repeater-Stationen aufbaut, dann könnte man rund um die Welt Quanteninformation übertragen und Quantenzustände
teleportieren“, ist Arno Rauschenbeutel zuversichtlich.
Der Artikel erscheint diese Woche in „Physical Review Letters“. Eine frei zugängliche Version finden Sie hier:
http://arxiv.org/pdf/1302.4792.pdf
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