Universität Innsbruck
Illustration von 2 Atomen zwischen 2 Spiegeln

Ein voll funktionsfähiger Netzknoten, der die Verschränkungserzeugung mit einem Photon der Standardfrequenz des Telekommunikationsnetzes und Operationen für den Verschränkungstausch ermöglicht.

Turbo für das Quan­tenin­ter­net

Vor einem Vierteljahrhundert machten Innsbrucker Physiker den ersten Vorschlag, wie Quanteninformation mit Hilfe von Quantenrepeatern über große Distanzen übertragen werden kann, und legten damit den Grundstein für den Aufbau eines weltweiten Quanteninformationsnetzes. Nun hat eine neue Generation von Forschern an der Uni Innsbruck einen Quantenrepeater-Knoten für Telekommunikationsnetze gebaut und damit Quanteninformation über Dutzende von Kilometern übertragen.

Quantennetzwerke verbinden Quantenprozessoren oder Quantensensoren miteinander. Dies ermöglicht absolut abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke. Dabei wird die Quanteninformation mittels Lichtteilchen (Photonen) über Glasfaserleitungen zwischen den Knotenpunkten des Netzwerkes ausgetauscht. Über große Distanzen steigt aber die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen verloren gehen. Weil Quanteninformation nicht einfach kopiert und verstärkt werden kann, haben Hans-Jürgen Briegel, Wolfgang Dür, Juan Ignacio Cirac und Peter Zoller vor 25 Jahren an der Universität Innsbruck dafür Quantenrepeater (Quanten-Umsetzer) vorgeschlagen. Diese verfügen über Licht-Materie-Verschränkungsquellen und Speicher zur Erzeugung von Verschränkung auf unabhängigen Netzwerkverbindungen. Diese werden durch einen sogenannten Verschränkungstausch miteinander verbunden. Auf diese Weise wird die Verschränkung über große Entfernungen verteilt.

Auch Übertragung über 800 Kilometer möglich

Quantenphysikern um Ben Lanyon am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, den grundlegenden Baustein von Quantenrepeatern zu bauen: ein voll funktionsfähiger Netzknoten, der die Verschränkungserzeugung mit einem Photon der Standardfrequenz des Telekommunikationsnetzes und Operationen für den Verschränkungstausch ermöglicht. Die Repeater-Knoten bestehen aus zwei in einer Ionenfalle gefangenen Kalzium-Ionen in einem optischen Resonator sowie einem Umwandler für einzelne Photonen in die Telekomfrequenz. Die Wissenschaftler demonstrierten damit die Übertragung von Quanteninformation über eine 50 Kilometer lange Glasfaser, wobei der Quantenrepeater genau in der Mitte zwischen Anfangs- und Endpunkt angebracht war. Mit Berechnungen konnten die Forscher auch zeigen, welche Systemverbesserungen noch notwendig sind, um mit dem gleichen Konzept eine Übertragung über 800 Kilometer möglich zu machen, was es erlauben würde, Innsbruck mit Wien zu verbinden.

Die aktuellen Ergebnisse wurden im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch einen START-Preis des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, die Österreichische Akademie der Wissenschaften und die Europäischen Union. Lanyons Team ist Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des EU-Quantum-Flagship.

Publikationen:

Telecom-wavelength quantum repeater node based on a trapped-ion processor. V. Krutyanskiy, M. Canteri, M. Meraner, J. Bate, V. Krcmarsky, J. Schupp, N. Sangouard, and B. P. Lanyon. Phys. Rev. Lett. 130, 213601 DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.213601 [arXiv:2210.05418v2]

Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication. H.-J. Briegel, W. Dür, J. I. Cirac, and P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 81, 5932 – Published 28 December 1998 DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.5932 [arXiv:quant-ph/9803056]

Physics: Quantum Repeater Goes the Distance physics.aps.org/articles/v16/84