Technische Universität Wien
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2008-08-27 [

Jörg Schmiedmayer

]

Neuer Fortschritt in der Quantenkommunikation: Physiker realisieren einen stabilen Quanten-Repeater

WissenschafterInnen der Universität Heidelberg, der University of Science and Technology of China und der TU Wien ist ein weiterer großer Schritt auf dem Weg zur Realisierung von Quantenkommunikation über große Distanzen gelungen. In Ihren Experimenten konnten sie einen stabilen Quantenrepeater realisieren, der das Potential hat in zukünftigen Quantenkommunikations-Netzwerken als ein zentraler Baustein zu dienen.

Grafik: In einem Quantennetzwerk befinden sich zwei benachbarte Knoten, die jeweils ein Atomensemble (geladen durch Magneto-Optische Fallen in Glaszellen; als Quantenspeicher dienend), welche mit einzelnen Photonen verschränkt sind, beinhalten. Diese beiden Ensembles werden in einen verschränkten Zustand projiziert, indem eine kollektive Bell-Messung an den beiden Einzelphotonen durchgeführt wird. Der verschränkte Zustand der Atomensembles kann für weiterführende Verbindungen ausgelesen werden. Die Schattierung der roten Kurve von hell nach dunkel symbolisiert den Grad an Photonenverlust und der Glaswürfel ist ein sogenannter Polarizing Beam Splitter (PBS), der für die kollektive Bell-Messung benötigt wird. (Grafik von Julia Gless)

Will man Daten über große Distanzen übertragen, muss man der unvermeidbaren Abschwächung durch Verstärkung des übermittelten Signals entgegen wirken. Diese Regeneration des übermittelten Signals wird bei klassischer Kommunikation in so genannten Repeaterstationen durchgeführt. Wenn Quanteninformation übermittelt werden soll, verhindern die gleichen fundamentalen Prinzipen der Quantenphysik die Quantenkommunikation absolut sicher machen eine solche Verstärkung, ohne dass die übermittelte Information verloren geht.

In der Ausgabe vom 28. August des Wissenschaftsmagazins Nature berichten Jian-Wei Pan, Jörg Schmiedmayer und ihre KollegInnen über die Realisierung eines stabilen Quantenrepeaters und demonstrieren erstmalig einen Verschränkungs-Austausch mit den Speichern und Auslesen von Licht. Im Experiment wurde Quanten-Verschränkung, ein essentieller Bestandteil von Quanteninformationsverarbeitung zwischen zwei räumlich getrennten, durch ein 300m Glasfaserkabel verbundenes Atomensembles erzeugt.  Die gespeicherten verschränkten Quantenzustände wurden nach einer festgelegten Speicherzeit auf Photonen übertragen und dadurch verifiziert.

Der sichere Austausch von Information ist ein wichtiger Eckpfeiler unserer Informationsgesellschaft. Quantenkommunikation, die Übermittlung von Daten codiert in Quantenbits, basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und bietet eine effiziente und absolut sichere Methode Informationen in einem Netzwerk auszutauschen. Zur Zeit beschränken unvermeidbare Verluste (Absorption der Photonen im Kommunikationskanal) die Reichweite von Quantenkommunikation. Die benötigten Ressourcen wachsen exponentiell mit der Distanz.

Um dieses Problem zu lösen, schlugen 1998 Briegel, Dür, Cirac und Zoller (BDCZ) vor, Quantenrepeater zu bauen. Die Grundidee dabei ist, den Kommunikationskanal in mehrere kurze Segmente aufzuteilen; die Verschränkung wird nun zuerst mit hoher Qualität in den kurzen Segmenten aufgebaut, diese werden daraufhin durch „Entanglement swapping“ verbunden. Die benötigten Ressourcen dieses Quantenkommunikations-Protokolls wachsen nur polynomial mit der gewünschten Distanz, falls die in den Zwischenstufen erzeugte Verschränkung in einem Quantenspeicher konserviert werden kann.

Die Herausforderung liegt nun darin, das BDCZ Protokoll mit Quantenspeichern zu verbinden. Dies wurde innerhalb dieser Arbeit durch die Realisierung eines funktionellen BDCZ Quantenrepeater erfolgreich demonstriert.

Im Experiment werden zuerst zwei Ensembles von je einer Million ultra kalten Atomen (Temperatur 100 Mikro Kelvin) in einer Magneto-Optischen Falle erzeugt. Ein Quantenzustand der Atome in jedem Ensemble wird dann durch einen Raman-Streuprozess mit jeweils einem Photon verschränkt. Im Folgenden werden die Ensembles in einen verschränkten Zustand projiziert, indem eine kollektive Bell-Messung an den beiden einzelnen Photonen durchgeführt wird (Entanglement Swapping). Dazu werden die Photonen durch eine 300m lange Glasfaser geleitet. Die so erzeugte Verschränkung ist nun in den Atomen gespeichert und kann später ausgelesen, verifiziert und weiter verwendet werden, indem man den atomaren Quantenzustand wieder auf Photonen überträgt.

Die hier demonstrierte Methode, Verschränkung durch eine kollektive Bell-Messung, ist intrinsisch robust, im speziellen ist sie unabhängig von der Phase der Photonen und kaum empfindlich auf Längenänderungen im Kommunikationskanal. Dies ist essentiell um Verschränkung und Verschränkungsverbindung zwischen Quantenspeichern über lange Strecken zu ermöglichen, beides essentielle Elemente eines funktionellen Quantenrepeaters mit stationären atomaren QuBits als Quantenspeicher und fliegenden photonischen QuBits als Quanten-Nachrichtenträger.

Die Autoren gehen davon aus, dass die experimentell demonstrierten Elemente zu einem Quantennetzwerk erweitert werden könnten, für eine robuste Anwendung müssen aber die Qualität des Quantenspeichers und der Atom-Photon-Verschränkung noch signifikant verbessert werden müssen.

In einem verwandten Experiment (veröffentlicht letzte Woche in Physical Review Letters) konnte die Heidelberg/Wien/USTC Gruppe auch zeigen dass zwar noch ohne Quantenspeicher, Verschränkungsaustausch über eine zusätzliche Zwischenstation, über 2 Kommunikationsstrecken funktioniert. 

Originalarbeit:
Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node
Zhen-Sheng Yuan, Yu-Ao Chen, Bo Zhao, Shuai Chen, Jörg Schmiedmayer, Jian-Wei Pan, ,
Nature, DOI: 10.1038/nature07241.

Multistage entanglement swapping
A. Goebel, C. Wagenknecht, Q. Zhang, Y-A Chen, K. Chen, J. Schmiedmayer, Jian-Wei Pan
Phys. Rev. Lett. 101, 080403 (2008);

Rückfragehinweis:
Univ.Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut der Österreichischen Universitäten
Technische Universität Wien
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