Lichtquanten spuken im Berliner Glasfasernetz.

Der Aufbau eines europaweiten Quanteninternets kommt voran. Das Ziel ist es, Einrichtungen der kritischen Infrastruktur wie Rechenzentren, Banken, Energieversorger, Krankenhäuser und staatliche Behörden mithilfe von Quantentechnologie sicher zu vernetzen und so vor unerlaubten Zugriffen zu schützen. Auch die Verschaltung von Quantensensoren und Quantencomputern zu noch leistungsfähigeren Rechnersystemen steht auf der Agenda. An vielen Orten sind bereits Teststrecken entstanden, mit denen die abhörsichere Datenübertragung mittels quantenkryptographischer Verfahren erprobt wird. In Deutschland gibt es allein mehr als zwanzig solcher Quantenlinks. Allerdings handelt es sich hier meist um spezielle, eigens für diese Experimente errichtete Glasfaserverbindungen zwischen Universitäten und Forschungsinstituten. Dass es möglich ist, auch innerhalb eines kommerziellen innerstädtischen Datennetzes Quanteninformationen zuverlässig zu übertragen, haben kürzlich Forscher von der Universität Paderborn, der Deutschen Telekom und des amerikanischen Netzwerkherstellers Qunnect mit einem Experiment in Berlin gezeigt. Die Forscher um Matheus Sena übertrugen die Quanteninformationen allerdings nicht wie üblich physisch von einem Sender zum Empfänger über eine Abfolge einzelner polarisierter Photonen, sondern mit der sogenannten Quantenteleportation, umgangssprachlich auch Beamen genannt. Hierbei werden Quanteneigenschaften eines Lichtteilchens auf ein anderes, weit entferntes Photon übertragen. Die Informationen verschwinden am Ort des Senders und tauchen wie von Geisterhand am Ort des Empfängers wieder auf. Dass man Quanteninformationen, die in den Polarisationszuständen einzelner Photonen codiert sind, über viele Kilometer weit teleportieren kann, haben bereits zahlreiche Experimente gezeigt. Allerdings wurden dafür bislang nur Glasfasern genutzt, die ausschließlich diesem einen Zweck dienten. F.A.Z.-Artikel häufiger in Ihren Suchergebnissen sehen F.A.Z. bei Google bevorzugen Praxisrelevante Übertragungsraten erzielt Für ihr Teleportationsexperiment verwendeten die Forscher um Sena ein 30 Kilometer langes Teilstück des Berliner Glasfasernetzes. Durch dieses schickten sie Photonen mit der typischen Telekommunikationswellenlänge von 1324 Nanometern. Diese Photonen waren mit Lichtteilchen einer kürzeren Wellenlänge (795 Nanometer) verschränkt, die aber vor Ort blieben. Als sie letztere mit weiteren Photonen eines Lasers über einen halbdurchlässigen Spiegel zusammenführten, erfolgte die Teleportation: Der Quantenzustand der Laserphotonen übertrug sich instantan auf die Lichtteilchen, die in der städtischen Glasfaser zirkulierten. Mit speziellen Detektoren überprüften die Forscher an einem Ende der Glasfaser, ob die kontaktlose Übertragung gelungen war. Das Ergebnis: Der Quantenzustand konnte in rund 90 Prozent der Fälle korrekt teleportiert werden, schreiben sie in ihrer Veröffentlichung auf dem Preprintserver arXiv. „Wir haben die Qualität der Teleportation bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen getestet“, sagt Sena. Bei der Übertragung auf kurzen Strecken von einigen Kilometern sei der teleportierte Quantenzustand im Mittel mit einer Wahrscheinlichkeit von 92 Prozent erhaltenn, auf der ganzen Distanz von 30 Kilometern habe die Übertragungsgüte immer noch 90 Prozent betragen. Wurden zusätzlich zum Quantensignal noch herkömmliche Telekommunikationssignale in die Glasfaser eingespeist, sank die Übertragungsgüte nur leicht auf 86 Prozent. Für Sena sind die Ergebnisse ihrer Experimente überzeugend. Sie demonstrierten das Potential der Teleportation für die Quantenkommunikation unter realistischen Bedingungen. Denn von einer erfolgreichen Quantenteleportation spreche man bei Werten von mehr als 67 Prozent. Für praktische Anwendungen, etwa für den Austausch von Quantenschlüsseln, wollen die Forscher ihr Verfahren noch verbessern. Übertragungsgüten von 98 Prozent und höher sind das Ziel. Teleportation über zwei getrennte Lichtquellen Teleportationstechniken, die Quantenzustände mit geringen Verlusten über einige Dutzend Kilometer übertragen können, sind allerdings auf städtische Netze beziehungsweise Metropolregionen beschränkt. Denn die Teleportation von Quantenzuständen mit Photonen, die aus derselben Quelle stammen, erlaubt es nicht, per Lichtleiter weite Strecken zu überbrücken. Nach 50 Kilometern werden Quantensignale gewöhnlich zu schwach, um sie weiter nutzen zu können. Verstärken, wie in der klassischen Telekommunikation, lassen sich Photonen aufgrund ihrer Quantennatur nicht. Stattdessen sollen eines Tages sogenannte Quantenrepeater die Signale erneuern. Diese Geräte, die man alle 50 bis 100 Kilometer aufstellen würde, nutzen die Quantenteleportation, um Quantenverbindungen zwischen Sender und Empfänger über längere Distanzen aufrechtzuerhalten. Dazu emittiert ein Quantenrepeater Paare von Photonen in zwei verschiedenen Richtungen. Diese laufen im Glasfasernetz zu den nächstgelegenen Repeatern, wo sie mit deren ausgesandten Lichtteilchen zusammentreffen und verschränkt werden. Auf diese Weise entsteht ein gemeinsamer Quantenzustand, der von einer Repeaterstation zur nächsten teleportiert wird, bis er zum Empfänger gelangt. Allerdings ist noch viel Forschungsarbeit zu leisten, bevor praxistaugliche Quantenrepeater zur Verfügung stehen. „Ein großes Problem bei der Entwicklung von Quantenrepeatern besteht darin, dass man quasi auf Knopfdruck möglichst identische Photonen aus auseinanderliegenden Quellen benötigt“, sagt Tim Strobel von der Universität Stuttgart. Der Physiker hat diese Hürde gemeinsam mit Kollegen aus Saarbrücken und Dresden gemeistert. Wie die Forscher in „Nature Communications“ berichten, verwendeten sie für ihr Experiment zwei Quantenpunkte aus Galliumarsenid als Photonenquellen. Diese nanometergroßen Halbleiterstrukturen, die auch als Bauteile für Quantenrepeater in Frage kommen, senden einzelne und verschränkte Photonenpaare aus. Allerdings variieren die Wellenlängen der Lichtteilchen abhängig von Größe und Form der Quantenpunkte. „Die Quantenpunkte stammen von unseren Dresdener Kollegen, aber wir mussten wochenlang erst diejenigen heraussuchen, die Photonen mit annähernd gleichen Wellenlängen emittieren“, sagt Strobel. Dem aber noch nicht genug: Die Wellenlängen der ausgesandten Photonen mussten für die effiziente Übertragung in Glasfasern auf ein und dieselbe infrarote Telekom-Wellenlänge konvertiert werden. Diese Aufgabe übernahmen spezielle optische Kristalle, mit denen sich die Wellenlängen der Photonen präzise einstellen ließen. Auf diese Weise wurden die Photonen „ununterscheidbar“, obwohl sie aus verschiedenen Quellen stammten. Quantensatelliten für Interkontinentalverbindungen Dann erfolgte das eigentliche Teleportationsexperiment: Ein Partner eines verschränkten Photonenpaars, das der erste Quantenpunkt erzeugt hatte, wurde in eine Glasfaser eingespeist und zum zweiten Quantenpunkt geschickt. Dort wurde er mit dessen Lichtteilchen zur Überlagerung gebracht. Die Folge: Der Quantenzustand, den man am ersten Punkt festgelegt hatte, übertrug sich auf das entfernte Lichtteilchen. Die Teleportation war erfolgt. Die Forscher um Strobel beziffern die Erfolgsrate der Übertragung mit 70 Prozent. Fluktuationen der Photonenwellenlängen aufgrund nicht perfekter Quantenpunkte verhinderten ein besseres Ergebnis. Die Forscher um Strobel wollen die Übertragungsgüte erhöhen, indem sie die Herstellung und Präparation der Quantenpunkte verbessern. Das sei notwendig, um Quantenzustände über größere Distanzen zu teleportieren. Im aktuellen Experiment waren die beiden Quantenpunkte nur durch einen zehn Meter langen Lichtleiter verbunden. Dass man von einem einzigen Quantenpunkt erzeugte verschränkte Photonenpaare über eine Distanz von 36 Kilometern im Stuttgarter Glasfasernetz erfolgreich übertragen kann, haben Strobel und seine Kollegen vor zwei Jahren demonstriert. Noch wird es einige Jahre dauern, bis funktionsfähige Quantenrepeater zur Verfügung stehen und flächendeckend installiert werden. Bis dahin wird man sich mit Relaisstationen in der Erdumlaufbahn behelfen müssen. Derzeit kreisen bereits zwei deutsche Quantensatelliten in der Erdumlaufbahn. QUBE 1 und 2 sollen die abhörsichere Datenübertragung aus dem All zu Bodenstationen erproben, um größere Städte miteinander zu vernetzen und eines Tages sogar Interkontinentalverbindungen einzurichten. Mit mehreren Quantensatelliten für die Langstrecke und auf Glasfaser basierten Kurz- und Mittelstrecken könnte das Quanteninternet schon bald Realität werden.