Photonenzustand über 270 Meter zwischen getrennten Quantenpunkten teleportiert

Die 270-Meter-Strecke

Die Verbindung führte zwischen zwei Gebäuden der Universität Sapienza in Rom, wo die Teleportationsexperimente stattfanden. Nach Angaben der Universität Paderborn arbeiteten ihre Doktoranden und Postdoktoranden etwa zehn Jahre an den optischen Messungen, der Datenanalyse und der Auswertung. Die Gruppe von Professor Klaus Jöns kooperierte eng mit einem Team um Professor Rinaldo Trotta an der Sapienza. Die Universität bezeichnete das Ergebnis als wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum Quanteninternet.

Das Team teleportierte den Polarisationszustand eines einzelnen Photons von einem Quantenpunkt auf einen anderen, der räumlich getrennt war. Der empfangende Punkt bildete die Polarisation des ersten Photons nach. Die beiden Punkte waren getrennte Emitter, nicht eine Quelle, die in zwei Teile aufgeteilt wurde. Die Ergebnisse erschienen in Nature Communications.

Warum getrennte Emitter zählen

Verschränkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen erzeugen über mehrere Teilchen hinweg miteinander verbundene Zustände. Die Universität Paderborn nennt diesen Ansatz unverzichtbar für Anwendungen in sicherer Kommunikation, Datenverarbeitung und Quantencomputing.

Jöns sagte, frühere Experimente hätten Photonen aus ein und derselben Quelle verwendet. Getrennte Quantenemitter für ein Quantenrelais zwischen unabhängigen Parteien einzusetzen, sei bislang nicht erreichbar gewesen. Die gelungene Teleportation zwischen zwei unabhängigen Quantenemittern sei ein Schritt zu skalierbaren Quantenrelais und zur praktischen Umsetzung eines Quanteninternets.

Jöns sagte, das Experiment zeige, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten als Technologie für künftige Quantenkommunikationsnetze dienen könnten.

Wie das Experiment ablief

Die Quantenpunkte wurden an der Johannes Kepler Universität Linz präzise gefertigt. Die Nanofabrikation der Resonatoren übernahmen Partner an der Universität Würzburg. In Rom nutzten die Forscher eine GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und Stabilisierungsverfahren gegen atmosphärische Turbulenzen.

Die Treue des teleportierten Zustands, ein Maß dafür, wie gut Quantenzustände erhalten bleiben, erreichte bis zu 82 ± 1 %. Damit lag der Wert mehr als 10 Standardabweichungen über der klassischen Grenze.

Wie es weitergeht

Das nächste Ziel ist der Nachweis des Entanglement Swapping zwischen zwei Quantenpunkten. Das Team erklärt, damit entstünde das erste Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen verschränkter Photonenpaare. Deterministische Quellen können einzelne Photonen nahezu auf Abruf zuverlässig erzeugen, doch ihre Entwicklung war bisher eine große Herausforderung.

Vor etwa zehn Jahren skizzierten Jöns und Trotta einen Plan, Quantenpunkte als Quellen verschränkter Photonenpaare in Kommunikations- und Teleportationssystemen einzusetzen. Jöns sagte, das Ergebnis zeige, dass sich die langfristige Planung ausgezahlt habe. Er schrieb das Ergebnis dem Zusammenspiel von Materialwissenschaft, Nanofabrikation und optischer Quantentechnologie zu.