Quanten-Repeater-Knoten von Forschern in Innsbruck gebaut

Forschern der Universität Innsbruck ist es gelungen, einen voll funktionsfähigen Netzwerkknoten für Quanten-Repeater aufzubauen. Dieser Erfolg ist ein bedeutender Schritt zur Schaffung leistungsstarker verteilter Sensornetzwerke und abhörsicherer Kommunikation.

Was sind Quanten-Repeater?
Quantennetzwerke verbinden Quantenprozessoren oder Quantensensoren miteinander. Zwischen Netzwerkknoten werden Quanteninformationen durch Photonen ausgetauscht, die sich durch optische Wellenleiter bewegen. Allerdings steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen verloren gehen, über große Entfernungen dramatisch an.

Um diese Herausforderung zu meistern, lieferten Hans Briegel, Wolfgang Dür, Ignacio Cirac und Peter Zoller, damals alle an der Universität Innsbruck, vor 25 Jahren die Baupläne für einen Quantenrepeater. Diese Repeater verfügen über Quellen und Speicher für die Verschränkung von Licht und Materie, um eine Verschränkung in unabhängigen Netzwerkverbindungen zu erzeugen, die durch einen sogenannten Verschränkungsaustausch verbunden sind.

Was haben die Forscher erreicht?
Quantenphysiker unter der Leitung von Ben Lanyon haben nun die Kernteile eines Quantenrepeaters gebaut – eines voll funktionsfähigen Netzwerkknotens aus zwei Einzelmateriesystemen, der die Erzeugung von Verschränkungen mit einem Photon bei der Standardfrequenz des Telekommunikationsnetzwerks und den Austausch von Verschränkungen ermöglicht.

Der Repeater-Knoten besteht aus zwei Kalziumionen, die in einer Ionenfalle innerhalb eines optischen Resonators eingefangen werden, sowie aus einer Einzelphotonenumwandlung in die Telekommunikationswellenlänge. Die Wissenschaftler demonstrierten die Übertragung von Quanteninformationen über eine 50 Kilometer lange optische Faser, wobei der Quantenrepeater auf halber Strecke zwischen Start- und Endpunkt platziert wurde.

Was bedeutet das für Quantennetzwerke?
Die Forscher konnten außerdem berechnen, welche Verbesserungen dieses Designs notwendig wären, um eine Übertragung über 800 Kilometer zu ermöglichen, die eine Anbindung von Innsbruck an Wien ermöglichen würde.

Diese Errungenschaft ist insofern von Bedeutung, als sie die Tür für die Schaffung leistungsstarker verteilter Sensornetzwerke und abhörsicherer Kommunikation über große Entfernungen öffnet. Die aktuellen Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Finanzierung der Forschung erfolgte unter anderem durch einen START-Preis des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Europäischen Union. Lanyons Team ist Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt unter dem EU Quantum Flagship.