Um zukünftige Quantencomputer miteinander zu vernetzen oder quantenmechanisch verschlüsselte Botschaften zu übertragen, benötigt man ein so genanntes Quantennetzwerk. Dieses muss aus geeigneten Quantenkanälen und vor allem Knoten bestehen, die Quanteninformation zuverlässig senden, empfangen und speichern. Stephan Ritter und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben nun erstmals einen viel versprechenden Ansatz dafür in die Praxis umgesetzt und zeigen damit die Realisierbarkeit von Quantennetzwerken.

Ihr Prototyp besteht aus zwei Netzwerkknoten, die sich 21 Meter voneinander entfernt in verschiedenen Laboren befinden und über ein 60 Meter langes Glasfaserkabel verbunden sind. Als Netzwerkknoten dienen einzelne Rubidiumatome, während Lichtquanten als Informationsträger dienen. Um die Wechselwirkung zwischen den Photonen und den Atomen zu verstärken und so eine zuverlässige Übertragung der Quanteninformation zu gewährleisten, hielten die Forscher die Atome innerhalb eines optischen Resonators gefangen.

Quantennetzwerk
© Ritter, S. et al.: An elementary quantum network of single atoms in optical cavities. In: Nature 484, S. 195-200, 2012, fig. 1
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In einem zukünftigen Quantennetzwerk (oben) könnten viele einzelne Knoten, bestehend aus jeweils einem Atom, mit Glasfaserkabeln verbunden werden, durch die einzelne Lichtteilchen ausgetauscht werden. Ein nun umgesetzter Prototyp besteht aus zwei Knoten (A und B), die sich 21 Meter voneinander entfernt in verschiedenen Laboren befinden und über ein 60 Meter langes Glasfaserkabel (1) verbunden sind. Die Netzwerknoten bilden einzelne Rubidiumatome (2), die sich in einem optischen Resonator befinden (3). Quanteninformation wird über den Austausch eines einzelnen Photons (4) übertragen, wobei die Daten im Quantenzustand des Atoms und der Polarisation des Photons kodiert sind.

In einem ersten Experiment demonstrierte das Team um Ritter, dass sich einzelne Photonen in den Knoten speichern – kodiert im Spin des atomaren Grundzustands – und wieder abrufen lassen, wobei der ursprünglich eingeprägte Polarisationszustand des Lichtteilchens erhalten bleibt. Die Erfolgsquote bei diesem Schreiben und Lesen von Quanteninformation lag bei rund zehn Prozent. Anschließend übertrugen die Wissenschaftler beliebige Quantenzustände von Atom A mit Hilfe eines einzigen Photons zu Atom B. Dazu stimulierten sie Atom A mit einem Laserpuls in der Weise, dass es ein einzelnes Photon emittierte und gleichzeitig der atomare Quantenzustand auf die Polarisation des Photons übertragen wurde.

Das Lichtquant reiste dann durch das Glasfaserkabel zu Atom B und wurde dort absorbiert. Dadurch änderte sich der Quantenzustand von Atom B in der Weise, dass die ursprünglich in Atom A gespeicherte Quanteninformation nun in Atom B verschlüsselt ist. Die Effizienz für eine solche Übertragung liegt derzeit allerdings nur bei 0,2 Prozent, was unter anderem der geringen Produktionsrate von Photonen in Atom A geschuldet ist.

In einem weiteren Experiment gelang es in zwei Prozent der Fälle, die beiden Atome durch den Austausch eines Lichtteilchens für mindestens 100 Mikrosekunden nachweislich miteinander zu verschränken. Diese Kohärenzzeit würde ausreichen, um Informationen über eine Strecke von 20 Kilometern zu verschicken, erläutern die Forscher. Diese Distanz dürfte sich noch steigern lassen, wenn andere atomare Übergänge zur Kodierung der Quanteninformation genutzt würden.

Mit dem entwickelten Prototyp lassen sich Quanteninformationen in Form von Photonen also senden, empfangen, speichern und abrufen. In den Experimenten ging es nicht primär darum, die maximale Effizienz zu erreichen, berichten die Forscher. Vor allem galt es zu zeigen, dass sich ein Quantennetzwerk überhaupt realisieren lässt. In Zukunft wollen Ritter und seine Kollegen die Netzwerkknoten dann in allen Bereichen optimieren. Neben einer höheren Effizienz stehen beispielsweise auch längere Speicherzeiten oder eine bessere Wiedergabetreue auf dem Plan.

Das nun demonstrierte Netzwerk sollte sich zudem um deutlich mehr Knoten erweitern lassen. Da die Netzwerkknoten universell sind, dürfte ein solcher Ausbau zwar konzeptionell einfach sein. Derzeit ist der technologische Aufwand dafür aber immens, berichtet Ritter, weil die Apparatur zum Betrieb eines einzelnen Knotens noch ein ganzes Labor füllt.

Das theoretische Konzept für diesen Typ von Quantennetzwerk existiert bereits seit 15 Jahren. Zurzeit werden verschiedene Ideen verfolgt, um ein "Quanteninternet" umzusetzen. Neben einzelnen Teilchen werden für die Knoten zum Beispiel auch Atomwolken erforscht.